Принцип действия манометра - реферат

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.

]Холодный катод

Существует два вида манометров с холодным катодом: манометр Пеннинга (введённый Максом Пеннингом), и инвертированный магнетрон. Главноое различие между ними состоит в положении анода относительно катода. Ни у одного из них нет нити накаливания, и каждому из них требуется напряжение до 0,4 кВ для функционирования. Инвертированные магнетроны могут измерять давления до 10−12 мм рт. ст.

Такие манометры не могут работать если ионы, генерируемые катодом рекомбинируют прежде, чем они достигнут анод. Если средняя длина свободного пробега газа меньше, чем размеры манометра, тогда ток на электроде исчезнет. Практическая верхняя граница измеряемого давления манометра Пеннинга 10−3 мм рт. ст.

Точно так же манометры с холодным катодом могут не включиться при очень низких давлениях, так как почти полное отсутствие газа мешает устанавливать электродный ток — особенно в манометре Пеннинга, который использует вспомогательное симметричное магнитное поле, чтобы создать траектории ионов порядка метров. В окружающем воздухе подходящие ионые пары формируются посредством воздействия космической радиации; в манометре Пеннинга приняты меры, чтобы облегчить установку пути разряда. Например, электрод в манометре Пеннинга обычно точно сужается, для облегчения полевой эмиссии электронов.

Циклы обслуживания манометров с холодным катодом вообще измеряются годами, в зависимости от газового типа и давления, в котором они работают. Используя манометр с холодным катодом в газах с существенными органическими компонентами, такими как остатки масла насоса, может привести к росту тонких углеродистых плёнок в пределах манометра, которые в конечном счете замыканут электроды манометра, или препятствуют гереации пути разряда.

Применение манометров

Манометры применяются во всех случаях, когда необходимо знать, контролировать и регулировать давление. наиболее часто манометры применяют в теплоэнергетике, на химических, нефтехимических предприятиях, предприятиях пищевой отрасли.

Цветовая маркировка

Довольно часто корпуса манометров, служащих для измерения давления газов, окрашивают в различные цвета. Так манометры с голубым цветом корпуса предназначены для измерения давления кислорода. Желтый цвет корпуса имеют манометры на аммиак, белый – на ацителен, темно-зеленый – на водород, серовато-зеленый – на хлор. Манометры на пропан и другие горючие газы имеют красный цвет корпуса. Корпус черного цвета имеют манометры предназначенные для работы с негорючими газами.

Манометры.

По принципу действия манометры подразделяют на жидкостные (трубные) манометры, пружинные манометры, мембранные манометры, сильфонные манометры, пьезоэлектрические манометры, поршневые манометры, радиоактивные и проволочные (тензоманометры) манометры. В этой статье рассматриваются лишь жидкостные (трубные), пружинные, мембранные и сильфонные манометры, получившие наибольшее применение в промышленности.

Жидкостные (трубные) манометры принцип действия которых основан на уравновешивании измеряемого давления столба жидкости, выпускают нескольких типов:

U-образные,

однотрубные (чашечные),

кольцевые,

колокольные,

поплавковые.

Колокольные и поплавковые манометры применяют реже других, поэтому в данной статье они не описаны.

U-образный манометр наиболее простой по конструкции состоит из U-образной стеклянной трубки заполненной жидкостью, и прямолинейной, миллиметровой шкалы. Шкала чаще всего бывает двусторонней с нулевой отметкой посередине. Нижняя часть трубки заполнена до нулевой отметки. К одному концу трубки по гибкой резиновой или пластмассовой трубке подводится давление измеряемой среды. Под действием этого давления жидкость в одном колене трубки понижается, а в другом - повышается. Разность уровней, определяемая по шкале, показывает избыточное давление измеряемой среды.

При частых изменениях давления измеряемой среды уровень Жидкости в трубках колеблется, в связи с чем трудно производить точный отсчет по шкале в обеих трубках одновременно. В этом случае более удобен однотрубный (чашечный) манометр. Он состоит из сосуда (чаши), сечение которого во много раз больше сечения трубки. При измерении давления уровень жидкости в трубке малого сечения поднимается на большую высоту, в то время как в чаше большого сечения он опускается незначительно. Поэтому показания прибора можно отсчитывать только по изменению уровня жидкости в трубке малого сечения, пренебрегая изменением уровня в чаше.

Если к U-образному или чашечному манометру давление подводится только к одному концу трубки, то измеряется разность подведенного и атмосферного давлений. В этом случае другой конец трубки открыт и сообщается с атмосферой. Если же к обоим концам трубки или чаше и трубке подвести давление контролируемых сред, то манометр будет измерять разность этих давлений. Такие манометры называются дифференциальными.

Кольцевой манометр, называемый кольцевыми весами, представляет собой металлическую трубку, согнутую в кольцо и установленную на призме. Нижняя половина кольца заполнена жидкостью, в верхней имеется перегородка. При разности давления Ризб и Ратм жидкость будет перетекать в сторону меньшего давления. Перетекание жидкости приведет к изменению центра тяжести и повороту кольца, а вместе с ним и стрелки прибора, которая по шкале покажет изменение давления. Чтобы получить шкалу прибора равномерной, предусмотрено специальное лекальное устройство.

Приборами «кольцевые весы» измеряют давление, разрежение и перепад давления, в последнем случае их называют дифференциальными манометрами (дифманометрами). Давление подводят к кольцу посредством гибких резиновых и пластмассовых трубок 8, а при измерении высоких давлений применяют металлические трубки, выполненные в виде спирали.

Пружинные манометры. Чувствительным элементом в них являются одно или многовитковые пружины. Чувствительный элемент связан механически с измерительным устройством и вместе с ним находится в общем корпусе. Одновитковая пружина представляет собой стальную или латунную полую трубку, согнутую по окружности. Один конец пружины впаян в основание прибора. На этом же основании смонтирован механизм передачи со стрелкой и круглый корпус манометра. Измеряемая среда подводится во внутреннюю полость пружины через ниппель.

Под давлением измеряемой среды трубчатая пружина стремится выпрямиться, ее свободный конец отклоняется и через тягу поворачивает зубчатый сектор, который в свою очередь поворачивает грибку (шестерню), а с ней и стрелку на угол, пропорциональный давлению. При повороте шестерни стрелка, сидящая на ее пси, тоже поворачивается и указывает на шкале измеряемое давление. Многовитковая пружина представляет собой полую трубку с пятью — семью витками, расположенными по винтовой линии. Пружина одним концом А неподвижно закреплена в корпусе прибора и через капиллярную трубку соединяется с измеряемой средой. Второй свободный конец Б пружины наглухо закрыт и через втулку соединен с осью.

Многовитковая трубчатая пружина длиннее одновитковой, поэтому ее свободный конец при том же давлении перемещается значительно больше. Под действием давления пружина, раскручиваясь, поворачивает ось и сидящий на ней рычаг с кареткой. Поворот рычага и каретки передается через тягу поводку и мостику. С мостиком жестко связан держатель пера. С изменением давления перо движется по диаграммной бумаге и записывает давление. Диаграммную бумагу перемещает часовой механизм или электрический синхронный двигатель. Манометры с многовитковой пружиной применяют главным образом как самопишущие приборы. Их используют также для дистанционной передачи показаний на расстояние. В этом случае в манометр встраивают электрическое или пневматическое передающее устройство.

Мембранные манометры. В качестве примера манометров этого типа на рассмотрим манометр мембранный электрический (ММЭ), входящий в систему ГСП, который является бесшкальным прибором. Их применяют для измерения избыточного давления неагрессивных жидкостей или газов и преобразования его в унифицированный электрический выходной сигнал, подаваемый на вторичный измерительный прибор.

Манометр состоит из трех основных узлов:

измерительного блока,

преобразователя,

усилителя.

В измерительный блок входит мембранная коробка с плоской мембраной (чувствительный элемент), ввинченной в крышку, и магнитный плунжер. Измеряемое давление через штуцер подается внутрь корпуса, закрытого герметично крышкой. К крышке зажимом, надетым на втулку и затянутым винтом, жестко крепится преобразователь.

Усилитель установлен на трех стойках, укрепленных на крышке, под действием измеряемого давления скрепленной с мембраной плунжер перемещается вверх, в результате чего постоянный магнит М создает магнитный поток. Разность этого потока и потока обратной связи (устройство обратной связи на рисунке не показано) преобразуется в электрический сигнал рассогласования и усиливается усилителем, после чего в виде выходного токового нала подается на вторичный измерительный прибор.

Сильфонные манометры используют для измерения небольших давлений и разрежений в качестве показывающих и самопишущих приборов. Чувствительным элементом в них является сильфон, который представляет собой гофрированную тонкостенную металлическую трубку, изготовленную из высокопрочного сплава. Сильфоны преобразуют измеряемое давление в тяговое усилие, перемещающее стрелку манометра.

В сильфонном манометре один конец сильфона закреплен на жестком неподвижном основании, другой герметически закрыт. Давление подводят внутрь сильфона через основание. Если давление больше атмосферного, то длина сильфона увеличивается, вследствие чего стрелка (или перо) прибора через систему рычагов движется по шкале. Для увеличения жесткости внутри сильфона установлена пружина.

Напоромеры, тягомеры и тягонапоромер используют для измерения давлений (напора) до 2500 мм вод. ст. и разрежений (тяги), они работают по такому же принципу, как и описанные выше приборы для измерения давления.

Мембранные напоромеры с горизонтальной профильной шкалой применяют для измерения давления сухого не запыленного воздуха в установках промышленной вентиляции, котельных установках, печных агрегатах и установках кондиционирования воздуха. Чувствительный элемент этого прибора — герметическая мембранная коробка из упругой латуни с двумя круглыми металлическими гофрированными крышками-мембранами, спаянными по окружности. При изменении давления ведущий штифт, припаянный к центру верхней мембраны, перемещается вместе с ней, поворачивая при этом коленчатый рычаг. Последний через тягу и рычаг поворачивает ось и закрепленную на ней стрелку по шкале. Ход мембраны не пропорционален изменению давления, поэтому для выравнивания хода мембраны и обеспечения равномерности шкалы применяют специальное устройство, состоящее из плоской пружины и кронштейна с установочными винтами, регулируемыми таким образом, чтобы стрелка прибора перемещалась равномерно.

Стрелку прибора устанавливают на нуль конусным регулирующим винтом и рычагом. При этом пружина оттягивает рычаг вниз, прижимая его к конусу.

Тягомеры отличаются от напоромеров только расположением кронштейна с установочными винтами. У напоромеров кронштейн находится над пружиной, а у тягомеров — под пружиной.

Тягонапоромер имеют два кронштейна с установочными винтами, один из которых расположен над пружиной, а другой — под ней.

Вакуумметры. Принцип действия их аналогичен принципу действия пружинных манометров с одновитковой трубчатой пружиной. В вакуумметрах давление внутри трубчатой пружины меньше атмосферного давления, поэтому она не стремится выпрямиться (как в пружинных манометрах), а, наоборот, еще больше скручивается.

Мановакуумметры. С правой стороны от нулевой отметки шкалы ведут отсчет избыточного давления, а с левой стороны — разрежения.

Специальные манометры – манометры измеряющие давление сред, отличных от нормальных; активных по отношению к медным сплавам; имеющие конструктивные особенности для использования в особых условиях.

► Газовые манометры. Конструкция газовых манометров предусматривает меры безопасности дляперсонала при разрыве чувствительного элемента, приборы настраиваются и испытываются на средах, исключающих масла или в последующем очищаться от излишков масел. Корпуса газовых манометры рекомендовано окрашивать в различные цвета (аммиак – желтый, ацетилен – белый, водород – темно-зеленый, кислород - голубой, хлор и фосген - серовато-зеленый, пропан и другие горючие газы – красный, другие негорючие газы – черный). Но не все производители придерживаются такой рекомендации. При заказе и эксплуатации газовых манометров необходимо учитывать, что многие газы обладают специфическими свойствами (водород разрушает сталь; ацетилен при соприкосновении с медными сплавами, содержащими более 70% меди, образует ацетиленистую медь – взрывчатое вещество). Манометры, используемые для измерения давления ацетилена, кислорода и пропана могут также называться сварочными. Примеры (ТМ серия 10)

► Кислородные манометры – манометры, измеряющие давление кислорода (сред с долей кислорода 23% и более). Контакт кислорода с минеральными маслами и некоторыми органическими веществами вызывает взрыв, причем мощность и возникновение взрыва не определяется количеством масла. Принципиальная отличительная особенность кислородных манометров – это строгий контроль предельно допустимых концентраций масла на поверхностях манометра, которые контактируют с кислородсодержащими средами. На шкале манометра должно быть обозначение - кислород, маслоопасно .

Конструкция, диапазоны измерений, классы точности, размеры корпусов кислородных манометров практически не отличается от технических манометров. К кислородным манометрам, как и газовым, предъявляются повышенные требования надежности прибора. Технические манометры могут переводиться в разряд кислородных путем обезжиривания, последующего контроля наличия масла на внутренних поверхностях прибора и нанесения соответствующего обозначения на шкале прибора (специальное исполнение технических манометров, электроконтактных манометров, взрывозащищенных манометров, виброустойчивых манометров, судовых манометров - указывается при заказе манометра).

► Железнодорожные манометры (МПф). Применяются для измерения давления неагрессивных по отношению к медным сплавам жидкостей и газов (вода, топливо, масло, воздух) в силовых и тормозных системах и установках подвижного состава железных дорог, метрополитена и вагонов трамваев, а также для измерения давления хладонов (указывать при заказе) в холодильных машинах, устанавливаемых в железнодорожных вагонах-рефрижератора. Железнодорожные манометры имеют конструктивные особенности крепления манометра и корпуса, характеризуются виброустойчивостью, корпус изготовлен из нержавеющей стали.

► Судовые манометры (МТСПф-100-OM2, МНКр-60 ). Манометры судовые предназначены для измерения давления жидкостей (дизельного топлива, масла, воды, морской воды), газов и водяного пара в окружающей среде, насыщенной парами смазочного масла, дизельного топлива и морской воды. Специальное исполнение для измерения давления хладонов и кислорода (указывать при заказе).

► Специальные манометры для вязких, кристаллизующихся, содержащих твердые частицы сред. Манометры для пищевой промышленности (МТП100/1-ВУМ ).

► Аммиачные манометры (описаны в разделе Коррозионностойкие манометры)

► Котловые манометры