Манометр

Манометр (далее М) (от греч. manós — редкий, неплотный и ...метр), прибор для измерений давления жидкостей и газов. Различают М для измерений абсолютного давления, отсчитываемого от нуля (полного вакуума); М для измерений избыточного давления, то есть разности между абсолютным и атмосферным давлением, когда абсолютное давление больше атмосферного; дифманометры для измерений разности двух давлений, каждое из которых, как правило, отличается от атмосферного. Для измерений давления, соответствующего атмосферному, применяют барометры, для измерений давления разреженных газов — вакуумметры (главным образом в вакуумной технике).

При измерениях давления пользуются М, у которых шкалы градуированы в различных единицах (см. Давление).

Основа измерительной системы М — чувствительный элемент, являющийся первичным преобразователем давления. В зависимости от принципа действия и конструкции чувствительного элемента различают М жидкостные, поршневые, деформационные (пружинные). Кроме того, находят применение приборы, действие которых основано на измерении изменений физических свойств различных веществ под действием давления.

Кроме М с непосредственным отсчетом показаний или их регистрацией, широко используются так называемые бесшкальные М с унифицированными пневматическими или электрическими выходными сигналами, которые поступают в системы контроля, автоматического регулирования и управления различными технологическими процессами. Области применения М различных типов показаны на рис. 1.

В жидкостных М чувствительным элементом является столб жидкости, уравновешивающий измеряемое давление. Идея использовать жидкость для измерения давления принадлежит итальянскому ученому Э. Торричелли (1640). Первые М были сделаны итальянским механиком В. Вивиани (1642) и французским ученым Б. Паскалем (1646). Конструктивное исполнение жидкостных М отличается большим разнообразием. Основные разновидности жидкостных М: -oбразные (двухтрубные), чашечные (однотрубные) и двухчашечные. Современные жидкостные М имеют пределы измерений от 0,1 н/м² до 0,25 Мн/м² (~ от 0,01 мм вод. cm. до 1900 мм pm. cm.) и находят применение главным образом для измерений с высокой точностью в лабораторных условиях. Жидкостные М, служащие для измерения малых избыточных давлений и разрежений менее 5 кн/м² (37,5 мм pm. ст.), называются микроманометрами. При малых пределах измерений жидкостные М заполняются легкими жидкостями (вода, спирт, толуол, силиконовые масла), а при увеличении пределов измерений — При измерении давления чашечным микроманометром (рис. 2) заполняющая сосуд жидкость вытесняется в трубку, изменение уровня жидкости сравнивают со шкалой, отградуированной в единицах давления. Пределы измерений прибора не превышают 2 кн/м² (~200 мм вод. ст.) при наибольшем угле наклона. Для точных измерений и поверки микроманометров др. типов применяют двухчашечные микроманометры компенсационного типа, в которых один из сосудов (чашка) жестко закреплен, а второй сосуд с целью создания необходимого для уравновешивания давления столба жидкости перемещается в вертикальном направлении. Перемещение, определяемое при помощи точной шкалы с нониусом или по концевым мерам длины, непосредственно характеризует измеряемое давление. Компенсационными микроманометрами можно измерять давления до 5 кн/м² (~500 мм вод. ст.), при этом погрешность не превышает (2—5)×10^-3 н/м², или (2—5)×10^-2 мм вод. cm.

Верхний предел измерения жидкостных М можно повысить, увеличив высоту столба жидкости и выбрав жидкость с большей плотностью. Однако даже при заполнении М его верхний предел измерения редко превышает 0,25 Мн/м² (~1900 мм рт. ст.), например в чашечных М, в которых широкий сосуд сообщен с вертикальной трубкой. Жидкостные М для измерений с высокой точностью оснащают электрическими или оптическими отсчетными устройствами, а их конструктивное исполнение позволяет устранить различные источники погрешностей (влияние температуры, воздействие вибраций, капиллярные силы и т. д.). Высокую точность обеспечивает двухчашечный М абсолютного давления с так называемым емкостным отсчетом (рис. 3), который применяется для определения температуры в эталонном газовом термометре (Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии имени Д. И. Пределы измерений М составляют (0—0,13) Мн/м² (0—1000 мм pm. ст.).

Для улучшения эксплуатационных характеристик (в основном точности показаний) в жидкостных М применяют следящие системы, которые позволяют автоматически определять высоту столба жидкости.

В поршневых М чувствительным элементом является поршень или другое тело, с помощью которого давление уравновешивается грузом или каким-либо силоизмерительным устройством. Распространение получил М с так называемым неуплотненным поршнем, в котором поршень притерт к цилиндру с небольшим зазором и перемещается в нем в осевом направлении. Впервые подобный прибор был создан в 1833 русскими учеными Е. И. Парротом и Э. Х. Ленцем; широкое применение поршневые М нашли во второй половине 19 века благодаря работам Е. Рухгольца ( и А. Амага ( которые независимо друг от друга предложили "неуплотненный" поршень. Основное преимущество поршневых М перед жидкостными заключается в возможности измерения ими больших давлений при сохранении высокой точности. Поршневой М с относительно небольшими габаритами (высота ~0,5 м) превосходит по пределам измерений и точности 300-метровый М, конструкция которого была разработана французским ученым Л. Кальете (1891). М был смонтирован на Эйфелевой башне в Париже. Верхний предел измерения поршневых М составляет около 3,5 Гн/м² (3,5×10⁸ мм вод. ст.). При этом высота измерительной установки не превышает 2,5 м. Для измерения такого давления М потребовалось бы довести его высоту до 26,5 км.

Наиболее распространены грузопоршневые М с простым неуплотненным поршнем (рис. 4). Пространство под поршнем заполнено маслом, которое под давлением поступает в зазор между поршнем и цилиндром, что обеспечивает смазку трущихся поверхностей. Вращение поршня относительно цилиндра предотвращает появление контактного трения. Давление определяется весом грузов, уравновешивающих его, и площадью сечения поршня. Изменяя вес грузов и площадь сечения поршня, можно в широком диапазоне менять пределы измерений, которые для М данного типа составляют 0,04—10 Мн/м² (0,4—100 кгс/см²). При этом погрешности наиболее точных эталонных М не более 0,002—0,005 %. При дальнейшем повышении пределов измерений площадь поршня становится столь малой, что для грузов необходимо конструировать спец. устройства (опорные штанги, рычажные устройства). Например, для уменьшения веса грузов в М системы М К. Жоховского (СССР) уравновешивающее усилие создается при помощи гидравлического мультипликатора. В этом случае даже при измерении высоких давлений 2,5 Гн/м² (2,5×10⁴ кгс/см²) измерительная установка предельно компактна и не требует наложения большого числа грузов.

Поршневые М спец. конструкций применяются также при измерении небольших избыточных давлений, разрежений, абсолютного и атмосферного давлений. Как правило, поршневые системы таких М предварительно уравновешиваются специальным устройством, что позволяет понизить нижний предел измерений практически до нуля. Поршень может быть уравновешен, например, пружинным механизмом. Вращение поршня осуществляется от электродвигателя. При создании разрежения в пространстве над верхней частью поршня избыток атмосферного давления уравновешивают грузы, накладываемые на его нижнюю часть.

Кроме цилиндрических поршней, применяют сферические и конические поршни. В так называемых колокольных М роль поршня выполняет колокол, а в М типа "кольцевых весов" — плоская перегородка внутри полого кольца.

Поршневые М применяют для градуировки и поверки М других типов, при точных измерениях и контроле давления с выходом показаний на цифровой счетчик или с передачей их на расстояние.

В деформационных М чувствительным элементом является упругая оболочка, которая воспринимает измеряемое давление. Деформация этой оболочки является мерой вызвавшего ее давления. Деформационные М в зависимости от конструкции чувствительного элемента делятся на трубчатые, мембранные и сильфонные. Принцип определения давления по упругой деформации тонкой оболочки был предложен в 1846 немецким ученым Р. Шинцем, а частный случай этого метода — определение давления по деформации полой трубчатой пружины — в 1848 французским ученым Э. Бурдоном, по имени которого трубчатая пружина часто называется трубкой Бурдона. Пределы измерений деформационных М охватывают широкий диапазон давлений — от 10 н/м² до 1000 Мн/м² (1—10⁸ мм вод. ст.).

Простота принципа действия, компактность конструкции, удобство в эксплуатации обусловили применение деформационных М при промышленных измерениях. Простейший трубчатый М (рис. 5) имеет полую, изогнутую по дуге трубку, один конец которой присоединен к объему, где измеряется давление, второй, запаянный конец — к рычагу передаточного механизма. При изменении давления трубка деформируется, перемещение ее конца через передаточный механизм сообщается стрелке, которая показывает давление по шкале. Наряду с трубчатой пружиной в М часто применяют мембрану или сильфон. Кроме механического преобразования деформации чувствительного элемента в показания М, применяются также электрические или оптические методы преобразования, в том числе с передачей результатов измерений на расстояние.

В системах автоматического регулирования и контроля технологических процессов применяют деформационные М с силовой компенсацией (по методу измерений). В этом случае М состоит из измерительного блока и унифицированного электрического или пневматического силового преобразователя. Измеряемое давление преобразуется чувствительным элементом измерительного блока в усилие, которое уравновешивается силой, развиваемой механизмом обратной связи, а не деформацией чувствительного элемента. На выходе преобразователя механизма создается стандартный электрический или пневматический сигнал, пропорциональный измеряемому давлению. Данная система позволяет применять один и тот же преобразователь в М для измерения абсолютного, избыточного давления и разрежения, разности давлений, а также других теплоэнергетических параметров (температуры, уровня, плотности, расхода). При этом возможно изменение пределов измерений в широком диапазоне за счет изменения соотношений плеч рычагов преобразователя и площадей сильфонов. Измерительный блок М абсолютного давления состоит из двух сильфонов (рис. 6), связанных с Т-образным рычагом преобразователя. В одном из сильфонов создано разрежение, второй сообщен с объемом, в котором измеряется давление. Под действием давления заслонка Т-образного рычага прижимается к соплу, что приводит к увеличению давления в сильфоне обратной связи и появлению уравновешивающего усилия. Преобразователь питается сжатым воздухом от постороннего источника. Выходное давление при помощи пневмоусилителя передается на аппаратуру, фиксирующую результаты измерений.

При измерении очень высоких давлений (свыше 2,5 Мн/м²) или давлений, близких к нулю (менее 10 н/м²), применение М указанных выше типов связано с большими трудностями или просто невозможно. В этих случаях нашли применение М, принцип действия которых основан на измерении какого-либо физического параметра, связанного с давлением определенной зависимостью. При измерении малых абсолютных давлений применяют ионизационные, тепловые, вязкостные, радиометрические М (см. Вакуумметрия). При измерении высоких давлений широко используют, например, манганиновые М, в которых под действием давления изменяется электрическое сопротивление тонкой манганиновой проволоки. Находят применение также М, действие которых основано на эффекте (см. Магнитострикция), скорости распространения звука в среде и др. Высокой точностью отличаются М, принцип действия которых основан на зависимости температуры плавления от давления. Переход из твердого состояния в жидкое сопровождается скачкообразным изменением объема, что позволяет надежно фиксировать соответствующие моменту плавления температуру и давление и обеспечивает хорошую воспроизводимость результатов. Измерительная установка с таким М позволяет определять давления до 4 Гн/м² (~4×10² мм вод. ст.) с погрешностью, не превышающей 1 %, и используется в качестве эталона сверхвысокого давления (до 4 Гн/м²) при поверке и градуировке М

Дальнейшее совершенствование М предполагает повышение их точности, расширение пределов измерений, обеспечение более высокой надежности и долговечности, удобства эксплуатации. Повышению точности М способствует использование таких материалов, как дисперсионно-твердеющие сплавы, кварц (например, для изготовления чувствительных элементов деформационных М), применение упругих опор, оптических и электрических методов снятия показаний и регистрации их. При автоматизации измерений находят применение различные средства, позволяющие передавать результаты измерений на устройства с цифровым отсчетом, записывающие и печатающие устройства, которые могут находиться на значительных расстояниях от мест измерений (например, передача результатов измерения атмосферного давления на Марсе и Венере при облете их искусственными спутниками), и так далее.

Лит.: Жоховский М К., Техника измерения давления и разрежения, 2 изд., М, 1952; его же, Теория и расчет приборов с неуплотненным поршнем, 2 изд., М, 1966; Андрюхина О. Б., Граменицкий В. Н., Образцовые грузопоршневые приборы для измерения давления, силы и массы. (Обзор), М, 1969: Хансуваров К. И., Точные приборы для измерения абсолютного давления, М, 1971.

К. И. Хансуваров.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.