Манометр — прибор для измерения давления. Жидкостные манометры и дифманометры
Приходилось ли вам пользоваться манометром? Как нетрудно догадаться, это прибор, с помощью которого выполняются какие-то измерения.
Но вот для чего и кому он нужен, знают не все. Итак, давайте разберемся, что такое манометр, что он измеряет и показывает.
Как понятно из структуры слова, манометром называется измерительный прибор. Это слово образовано из греческого слова «μάνωσις» , означающего «неплотный, разреженный» , и приставки «…метр» , которая обозначает любые измерительные приборы. Манометром измеряют неплотные вещества – жидкости и газы, а точнее, их давление.
Как было сказано выше, манометр – это специальный прибор, который используется для измерения давления газов и жидкостей в сосудах или трубопроводах. По принципу работы он может быть:
— поршневым;
— жидкостным;
— деформационным;
— пьезоэлектрическим.
Разные типы манометров имеют различное устройство. Рассмотрим наиболее популярные из них.
— Главной частью деформационного манометра является упругий элемент, деформация которого приводит к отклонению стрелочного показателя по шкале, показывающей величину давления. В качестве упругого элемента используются пружины трубчатой формы, мембраны – как плоские, так и гофрированные, сильфоны и т.д. Принцип работы заключается в том, что рабочая среда воздействует на упругий элемент и деформирует его, заставляя смещаться в определенном направлении. Прикрепленный к нему поводок вращает ось с надетой на нее стрелкой, показывающей на шкале величину давления.
— Жидкостные манометры используют для измерения трубку определенной длины, заполненную жидкостью. Рабочая среда воздействует на подвижную пробку (поршень) в трубке, и по перемещению уровня жидкости появляется возможность судить о ее давлении. Жидкостные манометры могут быть однотрубными и двухтрубными – вторые используются для определения разницы давлений двух сред.
— Поршневой манометр состоит из цилиндра и вставленного внутрь поршня. С одной стороны на поршень действует давление рабочей среды- жидкости или газа, а с другой он уравновешен грузом определенной величины. Перемещение поршня из-за изменения давления приводит к перемещению бегунка или стрелки на шкале.
— Пьезоэлектрические манометры используют пьезоэффект – появление электрического заряда в кристалле кварца вследствие механического воздействия. Основным достоинством этих приборов является отсутствие инерции, что важно для контроля быстро протекающих изменений давления рабочей среды.
Манометр – один из наиболее широко используемых приборов, необходимых в любой отрасли, где используются газообразное и жидкое сырье или рабочая среда. Их применяют:
— в химической промышленности, где очень важно знать давление веществ, участвующих в процессах;
— в машиностроении, особенно при использовании гидродинамических и гидромеханических узлов;
— в автомобилестроении и самолетостроении, а также в ремонте и сервисе автомобильной и авиационной техники;
— в железнодорожном транспорте;
— в теплотехнике для измерения давления теплоносителя в трубах;
— в нефте- и газодобывающей сфере;
— в медицине;
— везде, где используются пневматические агрегаты и узлы.
Выпускаются манометры промышленного и бытового назначения. Бытовые приборы используются для контроля автономных отопительных систем, автолюбителями для измерения давления в шинах автомобиля и т.д.
Промышленные манометры отличаются высокой специализацией и в ряде случаев – высоким классом точности.
Каждому манометру присваивается соответствующий класс точности, показывающий величину допустимой для этого прибора погрешности в измерении давления. Чем меньше число, которым выражается класс точности, тем более точным будет измерение.
Наиболее распространены манометры с классом точности от 4,0 до 0,5 – рабочие приборы, и от 0,2 до 0,05 – образцовые, или поверочные манометры. Выбор прибора с тем или иным классом точности зависит от измеряемого объекта и протекающего процесса.
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.
Манометр – это прибор, позволяющий измерить давление в водной системе или среде. С помощью этого простого устройства можно получить точные показатели давления в любой точке трубопровода или насосного агрегата. Ниже изучим конструкцию, принцип работы и отличия между разными видами манометров.
Манометр для измерения давления воды в водопроводе обладает очень простой конструкцией. Прибор состоит из корпуса и шкалы, на которой указывается измеряемая величина. Внутри корпуса может быть расположена трубчатая пружина или двухпластинчатая мембрана. Также внутри устройства находится держатель, трибко-секторный механизм и упругий чувствительный элемент.
Принцип действия прибора основывается на уравновешивании показателей давления посредством силы деформации мембраны или пружины. В результате этого процесса упругий чувствительный элемент смещается, что приводит в действие показывающую стрелку устройства.
Классификация манометров по принципу работы
В наши дни работающие в условиях давления устройства используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека. Следовательно, вместе с ними применяются и манометры, дающие точную информацию о показателях давления. При этом измерительные приборы могут отличаться между собой по конструкции и принципу действия. Имеющиеся на рынке устройства делятся на такие виды:
Современные манометры также делятся между собой на механические и электронные устройства. Механический манометр для насоса или системы водоснабжения имеет простую конструкцию, однако не может достаточно точно измерить давление. В конструкцию электронного прибора входит контактный узел, который более точно измеряет давление рабочей среды.
По способу использования манометры делятся между собой на такие виды:
- Стационарные – такие приборы монтируются и применяются только на определенном агрегате без возможности демонтажа измерительного устройства. Зачастую на используемом агрегате также применяется регулятор давления для воды с манометром;
- Переносные – эти измерительные приборы могут демонтироваться и использоваться для работы с разными агрегатами и в различных системах. Переносной прибор обладает меньшими габаритами.
Каждый из перечисленных видов приборов нашел свое активное применение. Многие из современных моделей используются в системе отопления частного дома или в квартире, другие – применяются для обслуживания крупных промышленных предприятий.
Не знакомые с измерительными приборами люди часто не могут отличить манометр давления воды в системе водоснабжения от прибора, который используется для измерения давления воздуха и газа. Внешне оба эти устройства практически не отличаются друг от друга. Тем не менее, различие между ними все-таки есть.
Разница между манометром для воды и воздуха заключается в конструкции и принципе их действия. В приборах для воды роль чувствительного элемента играет мембрана и сосуд с жидкостью. В воздушных манометрах чувствительным элементом служит трубчатая пружина, которая при работе заполняется газом или воздухом.
Узнать показатели давления воды в трубопроводе можно без помощи манометра. Все, что для этого требуется – это использовать самодельное приспособление из прозрачного 2-метрового шланга, которое очень просто изготовить своими руками.
В основном, шланг применяется с целью получения замеров давления воды на выходе из крана. Чтобы узнать нужные показатели, один конец шланга вставляется в кран, а второй закупоривается пробкой. После этого в шланг нужно впустить немного воды.
Прежде, чем начать «эксперимент», потребуется выполнить 2 условия:
- Установить шланг в вертикальное положение;
- Переместить нижний конец шланга так, как указано в схеме.
- P – давление в системе, измеряемое в атмосферах;
- Pатм – давление, которое присутствует внутри шланга до момента открытия крана;
- H0 – высота воздушного столба внутри шланга до момента открытия крана;
- H1 – высота воздушного столба после заполнения шланга водой.
Нужно отметить, что собранное приспособление по принципу действия полностью повторяет обыкновенный жидкостный манометр.
Проверка давления исходя из расхода воды
Второй способ определения давления заключается в выполнении расчетов с использованием данных о количестве воды, вытекающей из крана. Помимо этих данных, также потребуется:
- Узнать конфигурацию трубопровода и определить, из какого материала он изготовлен;
- Рассчитать диаметр трубы;
- Определить интенсивность вытекания жидкости;
- Определить степень открытия крана.
Определить приблизительное давление можно уже после выполненной операции, однако полученные результаты будут очень неточными. Ведь в любом случае банка будет полностью заполнена менее, чем за 10 секунд, из-за чего полученная величина давления будет значительно меньше, чем по регламенту. Тем не менее, отталкиваться всегда нужно от того, что 3-литровая емкость будет полностью заполняться водой за 7 и менее секунд. В таком случае давление внутри трубопровода будет наиболее приближенным к регламентированному.
Манометр жидкостный
Назначение прибора:
Манометр открытый демонстрационный предназначен для измерения давления от 0 до 400 мм ртутного или водяного столба (4000 Па) выше и ниже атмосферного давления.
Основные части прибора и их назначение: Демонстрационный жидкостный манометр состоит из U-образной стеклянной трубки высотой 48 см и диаметром 3,5 – 4,5 мм и стойки на треноге. Одно колено стеклянной трубки присоединяется к сосуду, давление в котором нужно измерить. На стойке нанесены хорошо заметные издали штриховые сантиметровые деления с оцифровкой: в середине стойки – 0 и от него вверх и вниз через каждые 10 см цифры 1 и 2. Цена деления шкалы прибора 10 мм водяного столба. С обратной стороны верхней части стойки при помощи металлической пластинки укреплен стеклянный тройник. Тройник с одной стороны соединен с манометром, с другой – с установкой и средним отростком с резиновой трубкой, на которую надет винтовой или пружинящий зажим. Это позволяет во время работы приводить жидкость в обоих коленах манометра к одному уровню, не отключая от установки другие приборы. Достаточно слегка разжать зажим, чтобы соединить манометр с атмосферой. К манометру прилагают резиновую трубку длиной 80 см и винтовой зажим. Манометр заполняют чаще всего водой и реже спиртом или ртутью. Для лучшей видимости воду подкрашивают, например нигрозином или желто-зеленым флюоресцином. Жидкостный манометр нетрудно изготовить своими силами, изогнув в пламени спиртовки стеклянную трубку или соединив внизу две прямые стеклянные трубки при помощи резиновой.
Принцип действия прибора:
Действие открытого жидкостного манометра основано на свойстве сообщающихся сосудов и законе Паскаля. Жидкость устанавливается в обоих коленах на одном и том же уровне, так как на ее поверхность действует только атмосферное давление. Чтобы понять, как работает такой манометр, его можно соединить резиновой трубкой с круглой плоской коробкой, одна сторона которой затянута резиновой пленкой. Если слегка надавить пальцем на пленку, то уровень жидкости в колене манометра, соединенном с коробкой, понизится, в другом же колене повысится. Это объясняется тем, что при надавливании на пленку увеличивается давление воздуха в коробке. По закону Паскаля это увеличение давления передается и жидкости в том колене манометра, которое присоединено к коробке. Поэтому давление на жидкость в этом колене будет больше, чем в другом, где на жидкость действует атмосферное давление. Под действием силы этого избыточного давления жидкость начнет перемещаться: в колене со сжатым воздухом жидкость опустится, в другом – поднимется. Жидкость придет в равновесие (остановится) , когда избыточное давление сжатого воздуха уравновесится давлением, которое производит избыточный столб жидкости в другом колене манометра. Чем сильнее давить на пленку, тем выше избыточный столб жидкости, тем больше его давление. Следовательно, об изменении давления можно судить по высоте этого избыточного столба.
Принцип работы
Принцип действия манометра основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации трубчатой пружины или более чувствительной двухпластинчатой мембраны, один конец которой запаян в держатель, а другой через тягу связан с трибко-секторным механизмом, преобразующим линейное перемещение упругого чувствительного элемента в круговое движение показывающей стрелки.
Разновидности
В группу приборов измеряющих избыточное давление входят:
Манометры - приборы с измерением от 0,06 до 1000 МПа (Измеряют избыточное давление - положительную разность между абсолютным и барометрическим давлением)
Вакуумметры - приборы измеряющие разряжения (давления ниже атмосферного) (до минус 100 кПа).
Мановакуумметры - манометры измеряющие как избыточное (от 60 до 240000 кПа), так и вакуумметрическое (до минус 100 кПа) давление.
Напоромеры -манометры малых избыточных давлений до 40 КПа
Тягомеры -вакуумметры с пределом до минус 40 КПа
Тягонапоромеры -мановакуумметры с крайними пределами не превышающими ±20 кПа
Данные приведены согласно ГОСТ 2405-88
Большинство отечественных и импортных манометров изготавливаются в соответствии с общепринятыми стандартами, в связи с этим манометры различных марок заменяют друг друга. При выборе манометра нужно знать: предел измерения, диаметр корпуса, класс точности прибора. Также важны расположение и резьба штуцера. Эти данные одинаковы для всех выпускаемых в нашей стране и Европе приборов.
Также существуют манометры измеряющие абсолютное давление, то есть избыточное давление+атмосферное
Прибор, измеряющий атмосферное давление, называется барометром.
Типы манометров
В зависимости от конструкции, чувствительности элемента различают манометры жидкостные, грузопоршневые, деформационные (с трубчатой пружиной или мембраной). Манометры подразделяются по классам точности: 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 (чем меньше число, тем точнее прибор).
Виды манометров
По назначениям манометры можно разделить на технические - общетехнические, электроконтактные, специальные, самопишушие, железнодорожные, виброустойчивые(глицеринозаполненые), судовые и эталонные (образцовые).
Общетехнические: предназначены для измерения не агрессивных к сплавам меди жидкостей, газов и паров.
Электроконтактные: имеют возможность регулировки измеряемой среды, благодаря наличию электроконтактного механизма. Особенно популярным прибором этой группы можно назвать ЭКМ 1У, хотя он давно снят с производства.
Специальные: кислородные- должны быть обезжирены, так как иногда даже незначительное загрязнение механизма при контакте с чистым кислородом может привести к взрыву. Часто выпускаются в корпусах голубого цвета с обозначением на циферблате О2(кислород); ацетиленовые -не допускают в изготовлении измерительного механизма сплавов меди, так как при контакте с ацетиленом существует опасность образования взрывоопасной ацетиленистой меди; аммиачные-должны быть коррозиестоикими.
Эталонные: обладая более высоким классом точности (0,15;0,25;0,4) эти приборы служат для поверки других манометров. Устанавливаются такие приборы в большинстве случаев на грузопоршневых манометрах или каких-либо других установках способных развивать нужное давление.
Судовые манометры предназначены для эксплуатации на речном и морском флоте.
Железнодорожные: предназначены для эксплуатации на Ж/Д транспорте.
Самопишушие: манометры в корпусе, с механизмом позволяющим воспроизводить на диаграмной бумаге график работы манометра.
Термопроводность
Термопроводные манометры основываются на уменьшении теплопроводности газа с давлением. В таких манометрах встроена нить накала, которая нагревается при пропускании через нее тока. Термопара или датчик определения температуры через сопротивление (ДОТС) могут быть использованы для измерения температуры нити накала. Эта температура зависит от скорости с которой нить накала отдаёт тепло окружающему газу и, таким образом, от термопроводности. Часто используется манометр Пирани, в котором используется единственная нить накала из платины одновременно как нагревательный элемент и как ДОТС. Эти манометры дают точные показания в интервале между 10 и 10−3 мм рт. ст., но они довольно чувствительны к химическому составу измеряемых газов.
[править]Две нити накаливания
Одна проволочная катушка используется в качестве нагревателя, другая же используется для измерения температуры через конвекцию.
Манометр Пирани (oдна нить)
Манометр Пирани состоит из металлической проволоки, открытой к измеряемому давлению. Проволока нагревается протекающим через нее током и охлаждается окружающим газом. При уменьшении давления газа, охлаждающий эффект тоже уменьшается и равновесная температура проволоки увеличивается. Сопротивление проволоки является функцией температуры: измеряя напряжение через проволоку и текущий через неё ток, сопротивление (и таким образом давление газа) может быть определено. Этот тип манометра был впервые сконструирован Марчелло Пирани.
Термопарный и термисторный манометры работают похожим образом. Отличие же в том, что термопара и термистор используются для измерения температуры нити накаливания.
Измерительный диапазон: 10−3 - 10 мм рт. ст. (грубо 10−1 - 1000 Па)
Ионизационный манометр
Ионизационные манометры - наиболее чувствительные измерительные приборы для очень низких давлений. Они измеряют давление косвенно через измерение ионов образующихся при бомбардировке газа электронами. Чем меньше плотность газа, тем меньше ионов будет образовано. Калибрирование ионного манометра - нестабильно и зависит от природы измеряемых газов, которая не всегда известна. Они могут быть откалибрированы через сравнение с показаниями манометра Мак Леода, которые значительно более стабильны и независимы от химии.
Термоэлектроны соударяются с атомами газа и генерируют ионы. Ионы притягиваются к электроду под подходящим напряжением, известным как коллектор. Ток в коллекторе пропорционален скорости ионизации, которая является функцией давления в системе. Таким образом, измерение тока коллектора позволяет определить давление газа. Имеется несколько подтипов ионизационных манометров.
Измерительный диапазон: 10−10 - 10−3 мм рт. ст. (грубо 10−8 - 10−1 Па)
Большинство ионных манометров делятся на два вида: горячий катод и холодный катод. Третий вид - это манометр с вращающимся ротором более чувствителен и дорог, чем первые два и здесь не обсуждается. В случае горячего катода электрически нагреваемая нить накала создаёт электронный луч. Электроны проходят через манометр и ионизуют молекулы газа вокруг себя. Образующиеся ионы собираются на отрицательно заряженном электроде. Ток зависит от числа ионов, которое, в свою очередь, зависит от давления газа. Манометры с горячим катодом аккуратно измеряют давление в диапазоне 10−3 мм рт. ст. до 10−10 мм рт. ст. Принцип манометра с холодным катодом тот же, исключая, что электроны образуются в разряде созданным высоковольтным электрическим разрядом. Манометры с холодным катодом аккуратно измеряют давление в диапазоне 10−2 мм рт. ст. до 10−9 мм рт. ст. Калибрирование ионизационных манометров очень чувствительно к конструкционной геометрии, химическому составу измеряемых газов, коррозии и поверхностным напылениям. Их калибровка может стать непригодной при включении при атмосферном и очень низком давлении. Состав вакуума при низких давлениях обычно непредсказуем, поэтому масс-спектрометр должен быть использован одновременно с ионизационным манометром для точных измерений.
Горячий катод
Ионизационный манометр с горячим катодом Баярда-Алперта обычно состоит из трёх электродов работающих в режиме триода, где катодом является нить накала. Три электрода - это коллектор, нить накала и сетка. Ток коллектора измеряется в пикоамперах электрометром. Разность потенциалов между нитью накала и землёй обычно составляет 30 В, в то время как напряжение сетки под постоянным напражением - 180-210 вольт, если нет опционоальной электронной бомбардировки, через нагрев сетки, которая может иметь высокий потенциал приблизительно 565 Вольт. Наиболее распространенный ионный манометр - это горячим катодом Баярда-Алперта с маленьким ионным коллектором внутри сетки. Стеклянный кожух с отверстием к вакууму может окружать электроды, но обычно он не используется и манометр встраивается в вакуумный прибор напрямую и контакты выводятся через керамическую плату в стене ваккумного устройства. Ионизационные манометры с горячим катодом могут быть повреждены или потерять калибровку если они включаются при атмосферном давлении или даже при низком вакууме. Измерения ионизационных манометров с горячим катодом всегда логарифмичны.
Электроны испущенные нитью накала движутся несколько раз в прямом и обратном направлении вокруг сетки пока не попадут на неё. При этих движениях, часть электронов сталкивается с молекулами газа и формирует электрон-ионные пары (электронная ионизация). Число таких ионов пропорционально плотности молекул газа умноженной на термоэлектронный ток, и эти ионы летят на коллектор, формируя ионный ток. Так как плотность молекул газа пропорциональна давлению, давление оценивается через измерение ионного тока.
Чувствительность к низкому давлению манометров с горячим катодом ограничена фотоэлектрическим эффектом. Электроны, ударяющие в сетку, производят рентгеновские лучи, которые производят фотоэлектрический шум в ионном коллекторе. Это ограничивает диапазон старых манометров с горячим катодом до 10−8 мм рт. ст. и Баярда-Алперта приблизительно к 10−10 мм рт. ст. Дополнительные провода под потенциалом катода в луче обзора между ионным коллектором и сеткой предотвращают этот эффект. В типе извлечения ионы притягиваются не проводом, а открытым конусом. Поскольку ионы не могут решить, какую часть конуса ударить, они проходят через отверстие и формируют ионный луч. Этот луч иона может быть передан нa кружку Фарадея.