Электрические манометры. Принцип действия.

Манометры (от греч. manos - редкий, неплотный и metreo - измеряю), служат для измерения давления жидкостей.газов и паров. Различают манометры для определения абсолютного давления, отсчитываемого от нуля (полного вакуума); избыточного давления, то есть превышения давления над атмосферным; разности двух давлений, отличающихся от атмосферного (дифференциальные манометры, или дифманометры). Приборы для измерения давления, соответствующего атмосферному, называют барометрами, давления ниже атмосферного - вакуумметрами. избыточного давления и давления ниже атмосферного-ман.вакуумметрами. Шкалы манометра могут быть градуированы в килопаскалях (кПа) или мегапаскалях (MПа), а также в кгс/м², кгс/см², барах, мм вод. ст., мм рт. ст. и др.

По принципу действия манометры могут быть жидкостными, грузопоршневыми, деформационными (смотри рисунок), тепловыми и другими, по способу представления информации о величине измеряемого давления - показывающими, регистрирующими и сигнализирующими. Кроме манометров с непосредственным отсчетом показаний применяют так называемые бесшкальные датчики (измерительные преобразователи) давления с унифицированными (стандартизованными) пневматическими или электрическими выходными сигналами. Такие датчики широко используют в системах автоматического контроля, регулирования и управления химико-технологическими процессами, в частности при автоматизации пожаро- и взрывоопасных производств. Датчики давления должны надежно работать при наличии интенсивной вибрации, нестационарных температурных и электромагнитных полей, а также в агрессивных средах, в условиях высокой влажности. запыленности и загазованности окружающей среды. Дифманометры применяют в приборах для измерения уровня и плотности жидкости по величине гидростатического давления, а также в приборах для измерения расхода жидкости, пара или газа по перепаду давлений на сужающих поток устройствах (диафрагмах, соплах Вентури и других).

Основные типы манометров: жидкостные (а - U-образный, б, в - чашечные соотв. с постоянным и переменным углом j наклона трубки, г - поплавковый, д - колокольный, е - кольцевой); грузопоршневые (ж); деформационные (з -показывающий с трубчатой пружиной, и - мембранный разделитель давлений с закрытой камерой); 1 - поплавок; 2 - колокол; 3 - перегородка; 4 - опора; 5, 8 - грузы; 6 - поршень; 7 - цилиндр; 9 - пружина; 10 - передаточный механизм; 11 - камера; р, р _атм - соотв. измеряемое и атмосферное давления; Н - высота столба манометрической жидкости; х, a _x - меры измеряемого давления.

Жидкостные манометры В таких приборах измеряемое давление (разрежение) либо разность давлений уравновешивается давлением столба манометрической жидкости, заполняющей прибор. Диапазон измерения - 10 - 10⁵Па. Жидкостные манометры применяют в основном при определении давления в лаб. условиях и при поверке других манометры Погрешность измерения U-образных и чашечных манометры (0,5-1,0%) определяется погрешностью самого прибора, ошибкой отсчета показаний и несоответствием действительного и расчетного значений плотности манометрической жидкости. Двухчашечные (компенсационные) микроманометры с верхними пределами измерения до 2,5-10³ Па имеют погрешность 0,02-0,05%. При малых пределах измерения (до 10⁴ Па) манометры заполняют легкими жидкостями (водой, спиртом, толуолом, силиконовым маслом), при увеличении пределов измерения до 10⁵ Па - ртутью.

В поплавковых, колокольных и кольцевых дифманометрах мера измеряемого давления (перепада) - не высота столба жидкости, а определяемое им положение подвижного элемента прибора. Манометрической жидкостью в поплавковых дифманометрах обычно служит ртуть или силиконовое масло. Пределы измерения серийных приборов (от 4-10³ Па до 0,16 MПа) обеспечиваются изменением высоты и диаметра одного из сосудов дифманометра. Погрешность не более 2,5% от верхнего предела измерения. Колокольные дифманометры (манометрическая жидкость - вода или масло) используют для измерения малых давлений и перепадов давлений от 25 до 400 Па. Погрешность 1,5 и 2,5% от диапазона измерения.

В кольцевых дифманометрах (кольцевых весах) замкнутый сосуд с непроницаемой перегородкой в верхней части установлен на призматическую опору, которая расположена в центре тяжести сосуда.

Под действием разности давлений по обе стороны перегородки манометрическая жидкость перемещается внутри кольца в сторону полости с меньшим давлением. Кольцо поворачивается в обратном направлении, пока момент силы, действующей на перегородку, не станет равным моменту силы тяжести противодействующего груза. Мера измеряемой разности давлений - угол поворота кольца. Основные достоинства кольцевых манометры: высокая чувствительность, независимость угла поворота от плотности манометрической жидкости, независимость показаний от температуры окружающего воздуха. Верхние пределы измерения от 400 до 2,5 • 10⁴ Па, погрешность 1,0 и 1,5% от предела шкалы. Поплавковые, колокольные и кольцевые дифманометры - показывающие или записывающие приборы, которые манометры б. снабжены счетчиками расхода, регуляторами, сигнализаторами, а также устройствами для получения унифицированных пневматических или электрических сигналов дистанционной передачи.

Грузопоршневые манометры В этих приборах измеряемое давление, действующее через манометрическую жидкость на поршень манометры, уравновешивается весом поршня и набора калиброванных грузов. Наиболее распространены манометры с неуплотненным поршнем, между которым и цилиндром имеется небольшой зазор. Пространство под поршнем заполнено специальным маслом, которое под давлением поступает в зазор и обеспечивает смазку трущихся поверхностей. При измерении давления для уменьшения трения между цилиндром и поршнем. Последний приводится во вращение электродвигателем или вручную. Изменяя вес грузов и площадь сечения поршня, можно изменять пределы измерения манометры в широком диапазоне (от 2500 Па до 2500 MПа). Приборы отличаются высокой точностью и стабильностью показаний; погрешность от 0,02 до 0,2% от верхнего предела измерения. Для определения небольших избыточных давлений, разрежения, абсолютного и атмосферного давлений применяют манометры специальных конструкций. Грузопоршневые манометры используют, как правило, для поверки манометров других типов и при лабораторных измерениях.

Деформационные манометры Измеряемое давление или разность давлений определяется по деформации упругих чувствительных элементов: трубчатых манометрических пружин - одно- и двухвитковых, S-образных, винтовых, геликоидальных, спиральных; плоских и гофрированных мембран; мембранных коробок; сильфонов; цилиндрических трубок и стаканов. Пределы измерения от 10 до 2,5 • 10⁹ Па. Простота преобразования давления в упругую деформацию чувствительного элемента и большое разнообразие удобных в эксплуатации конструкций обусловили широкое применение деформационных манометры в химической промышленности наиболее распространены так называемые пружинные манометры с одновитковым трубчатым чувствительным элементом. Под действием давлениядеформируется сечение пружины и происходит перемещение ее свободного конца, преобразуемое передаточным механизмом в перемещение стрелки, которая показывает давление по шкале. Диапазон измерения обычно от 0,1 до 2500 MПа, погрешность 0,16-4,0%.

В химии и химической технологии для защиты пружинных манометры от контакта с агрессивными и высокотемпературными средами часто используют т. наз. мембранные разделители давления с закрытой камерой. Внутренняя полость манометрической пружины заполняется минеральным или силиконовым маслом, через которое передается измеряемое давление рабочей среды, непосредственно соприкасающейся с разделительной мембраной. Последнюю изготовляют из нержавеющих сталей и сплавов, в том чсле с высоким содержанием Ni и Мо, а также из титановых сплавов и Та. При измерении давления вязких, полимеризующихся и кристаллизующихся сред применяют так называемые бескамерные манометры с открытым чувствительным или разделительным элементом - сильфоном либо мембраной.

Для измерения небольших давлений (разрежений) и разности давлений применяют манометры с чувствительными элементами в виде сильфонов, гофрированных мембран и мембранных коробок. В зависимости от диаметра, толщины и свойств материала, формы и глубины гофрировки чувствительных элементов можно измерять давление от 100 до 10⁷Па и более. Погрешность 0,5-2,5%.

В химической промышленности распространены датчики, основанные обычно на принципе электрической (реже - пневматической) компенсации. Диапазон измерения от 100 Па до 1000 MПа, погрешность 0,5-1,5%. Наиболее перспективны приборы, действие которых основано на так называемом тензорезистивном эффекте - изменении электрического сопротивления твердого проводника (чувствительного элемента) в результате его деформации, пропорциональной измеряемому давлению. Эти датчики отличаются простотой конструкции, небольшими габаритами и массой, повышенной виброустойчивостью, высокими динамическими характеристиками и небольшой погрешностью (0,25-0,50%). В СССР разработан комплекс тензорезисторных преобразователей давления (избыточного и абсолютного, а также разрежения) и разности давлений с упругими чувствительными элементами на основе монокристаллических подложек из искусственного сапфира с кремниевыми тензорезисторами. Диапазон измерения от 60 до 10⁸ Па, погрешность обычно не превышает 0,1, 0,25 или 0,5%. В комплекс входят также преобразователи гидростатического давления, предназначенные для получения информации о плотности или уровне жидкостей. которые находятся в открытых либо закрытых резервуарах под давлением. Фланцевое крепление датчика к резервуару с рабочей жидкостью и бескамерная конструкция мембранного измерительного узла позволяют контролировать гидростатическое давление агрессивных, вязких и кристаллизующихся сред при 200-300°С.

В манганиновых датчиках под действием давления изменяется электрическое сопротивление тонкой манганиновой проволоки. Эти датчики обычно используют для измерения давления свыше 100 MПа. Принцип устройства индуктивных датчиков состоит в изменении индуктивности системы при перемещении чувствительного элемента. Индуктивность системы зависит от магнитного сопротивления зазора в магнитопроводе или от реактивного магнитного сопротивления, которое изменяется с введением в зазор электропроводной пластины либо короткозамкнутого витка.

Действие емкостных датчиков основано на преобразовании перемещения чувствительного элемента в изменение емкости конденсатора, зависящее от зазора между обкладками, их площади, материала диэлектрика или диэлектрической проницаемости. Этим датчикам свойственны значительные температурные погрешности. В трансформаторных датчиках входное перемещение чувствительного элемента и соединенного с ним плунжера изменяет коэффициентом индуктивной связи между системами обмоток, одна из которых питается переменным током. Эффективное значение эдс, наводимой в другой обмотке, является выходной величиной датчика. Погрешность обычно 1,5-2,5%.

Принцип действия электронных и ионных датчиков основан на изменении характеристик соответствующих электронных и ионных ламп при взаимном перемещении их электродов, один из которых связан с чувствительным элементом датчика. Действие магнитоупругих датчиков обусловлено свойством ферромагнитных материалов изменять магнитную проницаемость под действием давления. Чувствительный элемент - обмотка с замкнутым магнитопроводом, деформирующимся под влиянием входного перемещения или усилия, пропорционального измеряемому давлению. В пьезоэлектрических датчиках используется эффект появления зарядов на гранях кристалла (обычно кварца) при его сжатии. Величина заряда пропорциональна уд. давлению и площади грани, перпендикулярной к "электрической" оси.

Радиационные датчики обычно состоят из чувствительного элемента, воспринимающего измеряемое давление, источника и приемника лучистой энергии и расположенного между ними экрана. Действие датчиков основано на зависимости от давления интенсивности потока, поступающего от источника излучения к приемнику. При изменениидавления чувствительный элемент вызывает пропорциональное перемещение экрана, управляющего интенсивностью потока. Наиболее распространены приборы, использующие видимый свет (оптические датчики) либо проникающее γ - или β-излучение. Источники излучения видимого света - лампы накаливания, ртутные точечные лампы высокого давления, лампы тлеющего разряда и др.; жестких излучений - рентгеновские трубки, искусственные радиоактивные вещества. Приемники: видимого излучения - вакуумные и газонаполненные элементы с внеш. фотоэффектом, фотосопротивления, вентильные фотоэлементы с фотоумножителями; жестких излучений - ионизационные камеры, счетчики Гейгера-Мюллера, пропорциональные, сцинтилляционные и кристаллические счетчики.

Тепловые манометры Используют для измерения небольших абсолютных давлений (1-10³ Па). Действие основано на линейной зависимости теплопроводности газов от степени их разрежения в указанных пределах. Манометры представляет собой стеклянный баллон, внутренняя полость которого соединена с аппаратом, где измеряется давление. Внутри баллона находится тонкая вольфрамовая нить, нагреваемая электрическим током. При изменениидавления изменяется теплоотвод от нити. Если поддерживать постоянным ток накала нити, то при изменениидавления изменится ее температура. Изменяя силу тока так, чтобы эта температура оставалась постоянной, можно за меру измеряемого давления принять величину тока или напряжения, подаваемого на нить.