Манометр — види, принцип дії і характеристики

У деяких випадках нам треба виміряти тиск рідини або газоподібної речовини. Для цієї мети застосовується вимірювальний прилад, який називається манометром.

Дуже важливим аспектом є його правильний вибір, оскільки кожна модель володіє різними технічними характеристиками. Цей фактор слід обов’язково враховувати.

Загальна інформація

Прилад для вимірювання тиску газів або рідин в замкнутому просторі називається манометром.

Його принцип дії заснований на рівності вимірюваного тиску і сили пружності (деформації) трубчастої пружини (пружинний механізм).

У деяких моделях застосовується чутлива двопластинчаста мембрана (мембранний тип). Один її кінець запаяний в тримач, а інший через тягу взаємодіє з трибко-секторним механізмом, який перетворює переміщення елемента в круговий рух стрілки.

Вимірювачі тиску, попри однаковий принцип дії, застосовуються для різних умов експлуатації і мають різні схеми устрою. Одні показують величину тиску рідини, а інші працюють тільки з газом. Деякі з них застосовуються в контрольно-вимірювальній апаратурі для визначення точних показників тиску.

Фізичний сенс тиску

Тиск (Р) є фізичною величиною, яка дорівнює силі (Fn), що діє перпендикулярно на одиницю площі поверхні. Іншими словами, величина тиску в довільному елементі поверхні визначається таким чином: відношення нормальної складової сили (dFn), яка діє на ділянку поверхні площею dS. Співвідношення має наступний вигляд:

Якщо необхідно обчислити середнє значення величини P, то слід скористатися формулою:

Для спрощення розрахунків використовуються одиниці вимірювань з приставками:

Фізичний сенс 1 Па: сила, рівна 1 Н, рівномірно розподілена по нормальній поверхні, площа якої дорівнює 1 метру квадратному. Існують і інші одиниці виміру:

• бар;
• кілограм-сила на кв. см.;
• технічна атмосфера;
• міліметр ртутного стовпчика;
• міліметр і метр водяного стовпа.

Типи манометрів

Прилади, які вимірюють величину надлишкового тиску і розрідження (нижче атмосферного), мають певні різновиди. Вони класифікуються наступним чином:

1. манометр;
2. вакуумметр;
3. мановакуумметр;
4. напоромір;
5. тягомір;
6. тягонапоромір;
7. барометр;
8. тонометр.

Відмінність першої групи від усіх полягає в діапазоні вимірювань. Він коливається від 0,06 до 1000 МПа. Вимірюється позитивна різниця між абсолютним і барометричним значеннями.

Вакуумметри вимірюють розрідження, тобто величину нижче атмосферного тиску.

Третя група приладів є комбінованою, оскільки вимірює надлишковий і вакуумметричний тиск. У першому випадку діапазон вимірювань знаходиться в межах від 60 до 240000 кПа.

Напороміри – це прилади для вимірювання величин, значення яких не перевищують 40 кПа.

П’ята група вимірює низькі значення (до -40 кПа).

Тягонапороміри є комбінованими пристроями, що вимірюють тиск в межах від -40 кПа до 40 кПа.

Барометри показують величину атмосферного тиску.

Тонометри застосовуються в медицині для вимірювання значень кров’яного тиску людини.

Класифікація манометрів по конструкції здійснюється наступним чином:

Останній тип включає у свою конструкцію чутливий елемент. Він являє собою трубчасту пружину. У моделях з високим класом точності застосовується мембрана.

Клас точності також впливає на класифікацію приладів (чим менше величина, тим він точніше): 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5 і 4.

Види манометрів

Прилади діляться на певні види. Це залежить від функцій, які вони виконують, а також сфери застосування. Їх можна розділити таким чином:

• загальнотехнічні;
• електроконтактні;
• спеціальні;
• самописні;
• залізничні;
• вібростійкі;
• суднові;
• еталонні;
• автомобільні.

Фахівці рекомендують кожен з приладів застосовувати тільки для цілей і умов, зазначених в керівництві по експлуатації манометра. Невиконання вимог, зазначених у документації, може призвести до виходу вимірювача з ладу. Крім того, в результаті цього можливі грубі порушення техніки безпеки, які призводять до нещасних випадків.

Загальнотехнічні та електроконтактні

Загальнотехнічні прилади використовуються для вимірювання в неагресивних середовищах рідин, газів і парів. Вони бувають радіальними і осьовими. Головною умовою експлуатації є наступне: будь-яка речовина, яка знаходиться в рідкому і газоподібному станах, що не реагує зі сплавами міді.

Електроконтактні прилади мають, як правило, 2 електричних контакти. Перша група відповідає мінімальній величині тиску, а друга — максимальній. Контакти налаштовуються на певні значення.

Принцип дії приладів досить простий. При зниженні величини тиску на гранично допустимий рівень, який налаштовується, відбувається розмикання ланцюга. Таким же чином працює і верхня межа.

Можливість замикання і розмикання контактів можна відключити. Для цього слід встановити значення низької межі на 0, а високої — на максимальне значення шкали приладу. Вони отримали застосування в промисловості. Можна використовувати також відразу дві межі, встановивши одну стрілку на мінімальне значення, а іншу — на гранично допустиму величину, на яку розраховано обладнання.

Для використання однієї межі слід встановити мінімальну в положення 0, а максимальний рівень на необхідне значення. Аналогічно встановлюється тільки нижня межа, але в цьому випадку потрібно встановити стрілку на потрібне мінімальне значення. Високу межу треба поставити на максимальне значення.

Наприклад, у вугільній промисловості для охолодження електродвигуна на конвеєрі застосовується манометр для вимірювання тиску води.

При зниженні її тиску до певного значення двигун неможливо запустити, що допомагає вберегти обладнання від перегріву. Крім того, виставляється верхня межа. Це потрібно для того, щоб тиск води не вивів з ладу систему охолодження.

Манометри з електричними контактами не застосовуються для точних вимірювань, оскільки стрілочний механізм при взаємодії з однією з контактних груп показує значення зі значною похибкою. При загазованості простору слід застосовувати моделі з вибухозахистом.

Спеціальні вимірювачі

Спеціальні Манометри діляться на три типи:

Перший тип повинен монтуватися на знежирені труби агрегатів, оскільки незначне забруднення може привести до вибуху приладу та іншого електрообладнання. Вони випускаються в корпусах блакитного кольору. На шкалі приладу вказує маркування хімічної формули кисню (O₂).

Другий вид застосовується в пристроях і механізмах для вимірювання показань тиску ацетилену. “Внутрішня начинка” вимірювача містить спеціальний металевий сплав, який не реагує з газом.

Необхідно відзначити, що заміна деталей на мідні неприпустима. При взаємодії газу з мідними сплавами може утворитися вибухонебезпечна ацетилениста мідь. Аміачні прилади повинні бути стійкими до корозійних процесів, оскільки можливе пошкодження корпусу з подальшим витоком газу.

Самописні реєстратори

Самописні реєстратори тиску є складними електронними пристроями з друкарським механізмом, який складається зі спеціального пера і пристрою подачі чорнила. Під час роботи приладу виконується реєстрація показань тиску в певний проміжок часу у вигляді діаграми.

Вони мають похибку, яка пов’язана зі ковзанням пера по папері. Цей недолік усунутий в сучасних моделях. При цьому застосовується спеціальний порт для підключення струменевого або лазерного принтера.

Таке удосконалення дозволяє застосовувати самописні манометри не тільки для контролю показання тиску, але і для тестування і точних вимірювань для розробки різного обладнання.

Залізничні та вібростійкі

Існують моделі, які застосовуються в умовах вібрацій. Залізничні манометри застосовуються в апаратурі контролю роботи двигуна поїздів. Найбільш поширеними моделями вважаються МП-2 стрілочного і дискового типів.

Манометр з обертовим диском застосовується для вимірювання Р в неагресивних середовищах. Для зручного зняття показань до складу пристроїв включена шкали з підсвіткою.

Діапазони показань приладів:

Прилади мають класи точності 1,5 і 2,5 і можуть витримати вібрації від 5 до 25 Гц з амплітудними значеннями, рівними 0,1 мм. Вібростійкі прилади застосовуються в умовах експлуатації при високих значеннях вібрацій. Деякі види вимірювачів вважаються стійкими до вібрацій і комбінованими. Наприклад, манометри, які встановлюються на виході потужних шахтних насосних установках.

Еталонні та суднові

Цифрові еталонні (зразкові) манометри застосовуються для вимірювання величини тиску рідин і речовин, які знаходяться в газоподібному стані.

На ньому відображається поточна величина тиску в системі, а також перевищення номінального рівня (нормальних показників). Еталонні манометри володіють деякими особливостями в порівнянні зі звичайними аналоговими моделями:

• Перевіркою і калібруванням інших манометрів.
• Застосуванням в системах безпеки.
• Можливістю збереження показань.
• Виявленням пікових рівнів і розміщенням цих значень в пам’ять.

Дуже часто підприємства відправляють вимірювачі тиску в метрологічні організації для виявлення дефектів приладів і їх калібрування. Це дуже важливо, оскільки істотно впливає на терміни експлуатації обладнання та попередження нещасних випадків.

Крім того, еталонні манометри виявляють витік газів і рідин. Якщо на підприємстві встановлені такі прилади, то це дозволяє істотно знизити появу нештатних ситуацій.

Еталонні манометри експлуатуються на будь-яких об’єктах комунального комплексу, заводах, газопроводах, підприємствах вугледобувної та нафтопереробної промисловості. Крім того, вони є універсальними, оскільки застосовуються для роботи з рідинами, газами і парами. Їх можна застосовувати в агресивних і неагресивних середовищах. Корпус є герметичним, і надійно захищений від попадання рідин, пилу і бруду.

Суднові прилади застосовуються для експлуатації на річковому і морському видах транспорту. Вони стійкі до вібрацій і агресивних середовищ. Досягається це за допомогою герметичного корпусу і віброзахисту.

Автомобільні манеометри

Основне призначення автомобільних манометрів – це вимірювання тиску повітря всередині шин автотранспорту. У деяких моделях машин вони включені в стандартну комплектацію.

Прилади бувають двох типів:

Перші мають цифрову шкалу зі стрілочним покажчиком. Вони вважаються більш надійними, ніж цифрові. Прилади мають деяку особливість: при наближенні рівня тиску до верхньої межі його похибка збільшується.

Цифровий манометр оснащений рідкокристалічним дисплеєм, на який виводиться результат вимірювання. Вимірювач володіє більшим класом точності, ніж аналоговий. Істотним недоліком приладів цього типу вважається наявність джерела живлення (потрібно мати запасні батарейки або акумулятори). Крім того, будь-який тип автомобільного манометра не можна протирати серветкою, оскільки це збільшує похибку вимірювань.

Рекомендації по вибору

Всі моделі манометрів виготовляються за певними державними стандартами. Отже, вони є взаємозамінними. Вибір манометра для окремого вимірювання або виготовлення манометричних систем необхідно здійснювати за його технічними характеристиками і умовами експлуатації.

Слід звернути увагу на такі характеристики приладів:

Діапазон вимірювань (максимальна величина).

• Вид.
• Клас точності.
• Ступінь захисту.
• Стійкість до вібрацій.
• Термін служби.
• Середовище експлуатації.
• Діапазон робочих температур.
• Різьблення.

Перед вибором приладу-вимірювача слід визначити його основні функції в будь-якій системі. Наприклад, немає сенсу переплачувати гроші за зразковий манометр для вимірювання тиску в шинах або використання в масляних станціях.

Таким чином, для вибору манометра слід керуватися його основними технічними характеристиками і умовами експлуатації в різних системах.

Дуже важливо дотримуватися основних критеріїв, оскільки це дозволить уникнути різних непередбачуваних ситуацій.

Що вимірює манометр і який тиск показує

Жодна сучасна будівля не обходиться без опалювальної системи. А для її стабільної та безпечної експлуатації потрібен точний контроль тиску теплоносія. Якщо тиск у межах гідравлічного графіка стабільний, то опалювальна система працює нормально. Проте за її підвищенні з’являється ризик розриву трубопроводу.

Зниження тиску може призвести до таких негативних наслідків, як, наприклад, утворення кавітації, тобто у трубопроводі утворюються бульбашки повітря, які, своєю чергою, можуть викликати корозію. Тому підтримувати нормальний тиск конче необхідно, і завдяки манометру це стає можливим. Крім опалювальних систем такі прилади застосовуються в різних областях.

Опис та призначення манометра

Манометр є приладом, що вимірює рівень тиску. Існують такі види манометрів, які застосовуються в різних галузях, і, зрозуміло, для кожної з них призначений свій манометр. Наприклад можна взяти барометр — прилад, призначений вимірювання тиску атмосфери. Вони широко застосовуються в машинобудуванні, сільському господарстві, будівництві, промисловості та інших сферах.

Ці прилади вимірюють тиск, і це поняття розтяжне, принаймні, і ця величина також має свої різновиди. Щоб відповісти на запитання, який тиск показує манометр, варто розглянути цей показник загалом. Це величина, що визначає відношення сили, що діє на одиницю площі поверхні, перпендикулярно до цієї поверхні. Практично будь-який технологічний процес супроводжується цією величиною.

• атмосферне – тиск атмосфери землі, що створюється масою повітряного стовпа;
• абсолютний тиск – це показник, відлік якого з урахуванням атмосферного, починається з нуля;
• надлишкове – під надмірним мають на увазі різницю двох показників атмосферного та абсолютного;
• вакуум або, іншими словами, розряджене – навпаки, являє собою різницю абсолютної та атмосферної або барометричної величини;
• диференціальне – це різниця між двома вимірюваними показниками, які не мають відношення до природних показників.

Для виміру кожного з перелічених вище видів показників існують певні типи манометрів.

Класифікація приладів

Типи манометрів розрізняються за двома ознаками: за видом показника, що вимірюється ними, і за принципом дії.

За першою ознакою вони поділяються на:

• прилади, призначені вимірювання атмосферного тиску, інакше вони називаються барометри;
• прилади, що вимірюють надмірне та абсолютне;
• вакуумметри, покликані вимірювати різницю атмосферного та абсолютного тиску;
• напорометри, що вимірюють малий (до 40 кПа) надлишковий тиск;
• тогометри, вид вакуумметра, яке вимірює надлишковий тиск верхньої межі 40 кПа;
• диференціальні манометри, що вимірюють різницю тисків.

Вони працюють за принципом урівноваження різниці тисків певною силою. Тому пристрій манометрів різний, залежно від того, як саме відбувається це врівноваження.

За принципом дії вони поділяються на:

• рідинні, врівноважування різниці тисків у таких приладах відбувається за рахунок гідростатичного тиску стовпа рідини, у пристрої використовується принцип сполучених судин;
• пружинні мають просту конструкцію і широко застосовуються для вимірювання тиску середовища в широких діапазонах;
• мембранні, засновані на пневматичній компенсації, урівноваження тиску відбувається за рахунок сили пружності мембранної коробки;
• електроконтактні, застосовуються в автоматичних системах контролю та сигналізації, оскільки з їх допомогою можна регулювати вимірюване середовище завдяки вбудованому в корпус електроконтактному механізму;
• диференціальні використовуються для вимірювання рівня рідин під напором витрати рідини, пари та газу за допомогою діафрагм.

За призначенням існують такі види манометрів, як:

• загальнотехнічні прилади застосовуються для вимірювання напору рідин, газів та пари, хімічно нейтральних до сплавів міді;
• кисневі, вони виробляються в корпусах блакитного кольору із зазначенням О2 на циферблаті, що застосовуються для вимірювання кисневого тиску в балонах або вакуумах;
• ацетиленові застосовуються для контролю надлишкового тиску ацетилену;
• еталонні застосовуються з метою перевірки інших приладів, оскільки вони мають велику точність;
• суднові застосовуються в судах та морському транспорті;
• залізничні використовуються на залізничному транспорті;
• самопишучі мають вбудований механізм, що дозволяє відтворювати на папері результат роботи.

Пристрій і принцип дії

Пристрій манометра може мати різну конструкцію в залежності від виду та призначення. Так, наприклад, пристрій, що вимірює тиск води, має досить просту і зрозумілу конструкцію. Вона складається з корпусу та шкали з циферблатом, що відображає значення. У корпусі є вбудована пружина трубчаста або мембрана з тримачем, тріпко-секторним механізмом та пружний елемент. Прилад функціонує за принципом вирівнювання тиску з допомогою сили зміни форми (деформації) мембрани чи пружини. А деформація, у свою чергу, надає руху чутливому пружному елементу, дія якого відображається на шкалі за допомогою стрілки.

Рідкісні манометри складаються з довгої трубки, яку наповнюють рідиною. У трубці з рідиною знаходиться рухлива пробка, яку впливає робоче середовище, вимірювати силу напору слід залежно від переміщення рівня рідини. Манометри можуть бути призначені для вимірювання різниці, такі пристрої складаються з двох трубок.

Поршневі складаються з циліндра і поршня, розташованого всередині. Робоче середовище, в якому вимірюється тиск, впливає на поршень і врівноважується вантажем деякої величини. Коли показник змінюється, поршень перемішається і приводить у дію стрілку, яка вказує на значення тиску.

Термопровідні складаються з нитки розжарювання, що нагріваються, коли через них пропускається електричний розряд. Принцип роботи таких приладів ґрунтується на зниженні теплопровідності газу з тиском.

Манометр Пірані названо так на честь Марчелло Пірані, який вперше сконструював пристрій. На відміну від термопровідних, складається з металевої проводки, яка також нагрівається під час проходження через неї струму та охолоджується під впливом робочого середовища, а саме газу. При зменшенні тиску газу знижується ефект охолодження, а температура проводки зростає. Величина вимірюється за допомогою вимірювання напруги у дроті під час проходження через неї струму.

Іонізаційні є найчутливішими пристроями, що використовуються для обчислення малих тисків. Як випливає з назви пристрою, його принцип ґрунтується на вимірі іонів, які утворюються під впливом електронів на газ. Кількість іонів залежить від густини газу. Проте іони мають дуже нестабільну природу, яка залежить від робочого середовища газу чи пари. Тож уточнення застосовуються інший вид манометра Мак Леода. Уточнення відбувається за рахунок порівняння показників іонізаційного манометра з показаннями приладу Мак Леода.

Існує два види іонізаційних пристроїв: з гарячим та холодним катодом.

Перший вид був сконструйований Баярдом Аллертом, складається з електродів, які працюють в режимі тріода, а як катод виступає нитка розжарення. Найпоширеніший вид гарячого катода – іонний манометр, у конструкції якого крім колектора, нитки та сітки вбудований невеликий іонний колектор. Такі прилади дуже вразливі, вони можуть втратити калібрування, залежно від умов роботи. Тому показання цих пристроїв завжди логарифмічні.

Холодний катод також має свої різновиди: інтегрований магнетрон і манометр Пеннінга. Їхня головна відмінність полягає в положенні анода і катода. У конструкції цих приладів немає нитки розжарювання, тому їм для роботи потрібна напруга до 0,4 кВт. Використовувати такі пристрої неефективно за низького рівня тиску. Оскільки вони можуть просто не заробити та не включитися. Принцип їх роботи заснований на виробленні струму, що неможливо за повної відсутності газу, особливо для манометра Пеннінга. Оскільки пристрій працює лише у певному магнітному полі. Воно необхідне створення потрібної траєкторії руху іонів.

Маркування за кольором

Манометри, що вимірюють тиск газу, мають кольорові корпуси, їх спеціально фарбують у різні кольори. Існує кілька основних кольорів, що використовуються для фарбування корпусу. Як, наприклад, манометри, які вимірюють тиск кисню, мають корпус блакитного кольору з умовним позначенням О2, аміачні манометри мають корпус, пофарбований у жовтий колір, ацетиленові білого кольору, водневі темно-зеленого, хлорні сірого. Прилади, що вимірюють тиск горючих газів, забарвлюються в червоний колір, а негорючих – чорний.

Переваги використання

Насамперед, варто відзначити універсальність манометра, який полягає у можливості контролювати тиск та підтримувати її на певному рівні. По-друге, пристрій дозволяє отримати точні показники норми і відхилення від них. По-третє, доступність практично будь-яка людина може собі дозволити придбати даний прилад. По-четверте, пристрій здатний працювати стабільно та безперебійно протягом тривалого часу, і не потребує спеціальних умов чи навичок.

Використання таких пристроїв у таких галузях, як медицина, хімічна промисловість, машино- та автомобілебудування, морський транспорт та інші, що потребують точного контролю тиску, значно полегшує роботу.

Клас точності приладу

Манометрів дуже багато, і кожному виду надається певний клас точності згідно з приписами ГОСТ, під яким розуміється допустима похибка, що виражається у відсотковому відношенні до діапазону вимірів.

Існує 6 класів точності: 0,4; 0,6; 1; 1,5; 2,5; 4. У кожного типу манометра вони також різняться. Наведений вище список відноситься до робочих манометрів. Для пружинних пристроїв, наприклад, відповідають такі показники 0,16; 0,25 та 0,4. Для поршневих – 0,05 та 0,2 тощо.

Клас точності має обернено пропорційну залежність від діаметра шкали приладу і від типу приладу. Тобто якщо діаметр шкали більше, то точність і похибка манометра зменшується. Клас точності умовно прийнято позначати наступними латинськими літерами KL також можна зустріти CL, яка вказується на шкалі приладу.

Значення похибки можна визначити. Для цього використовуються два показники: клас точності або KL та діапазон вимірювань. Якщо клас точності (KL) дорівнює 4, то діапазон вимірювань складе 2,5 МПа (Мегапаскаль), а похибка дорівнюватиме 0,1 МПа. Обчислюється за формулою добуток класу точності та діапазону вимірювань, поділений на 100 . Оскільки похибка виражається у відсотках, результат потрібно переказувати у відсотки шляхом розподілу на 100.

Крім основного виду існує і додаткова похибка. Якщо для обчислення першого виду використовуються ідеальні умови або натуральні величини, що впливають на особливості конструкції приладу, другий вид безпосередньо залежить від умов. Наприклад, від температури та вібрації чи інших умов.