2. Манометры
Жидкостные манометры отличаются простотой устройства при относительно высокой точности измерения. Их действие основано на уравновешивании внешнего давления столбом затворной (рабочей) жидкости, в качестве которой используют ртуть, воду, трансформаторное масло иди спирт.
U-образный манометр (рис. 64, а) представляет собой стеклянную трубку, изогнутую в виде буквы U и заполненную затворной жидкостью так, чтобы уровень жидкости в обоих коленах находился против нулевых отметок. Один конец трубки подсоединяется к объему, в котором необходимо измерить давление Р, а второй сообщается с атмосферой. Отсчет производится по шкале. Разность уровней h определяет избыточное давление Р и плотность жидкости γ.
Верхний предел измерения U-образного манометра составляет 10 кПа. При этом погрешность не превышает 2 %.
U-образные манометры используют для измерения разрежения или разности давлений. Основным недостатком U-образных манометров является необходимость снятия при каждом замере двух отсчетов. Этот недостаток частично устранен в чашечном манометре (рис. 64, б), состоящем из сосудов разного диаметра. Под действием измеряемого давления Р уровень жидкости в чашке снижается на высоту h2, значительно меньшую высоты h1 (диаметр чашки в несколько раз больше диаметра трубки). Разность уровней h в чашечном манометре в основном определяется перемещением мениска в тонкой трубке, так как h1 >> h2.
Рис. 64. Жидкостные манометры:
а – U-образный; б – чашечный однотрубный; в – чашечный с наклонной трубкой
Рис. 65. Чувствительные элементы деформационных манометров:
а – одновитковая пружина; б – многовнтковая пружина; в – упругая мембрана; г – мягкая мембрана (пружинно-мембранный элемент); о – одинарная мембранная коробка; е – двойная мембранная коробка; ж – сильфон; э – пружинио-сильфонный элемент
Чашечные манометры имеют верхний предел измерения 10 кПа, а погрешность измерения составляет 0,4 ... 0,25 %.
При точных измерениях небольших избыточных давлений и разрежений применяют специальные чашечные манометры с наклонной трубкой (рис. 64, в). Изменение угла наклона α трубки позволяет при малой высоте h1 получить более точное измерение.
Жидкостные стеклянные манометры не приспособлены для записи показаний и их дистанционной передачи. Поэтому их используют, в основном, для местного контроля, а также для поверки и градуировки манометров других систем.
Работа деформационных манометров основана на уравновешивании давления среды силами, возникающими при упругой деформации специальных элементов. Деформация в виде линейных или угловых перемещений передается показывающему или регистрирующему узлу прибора. Одновременно она может быть преобразована в электрический или пневматический сигнал для дистанционной его передачи.
В качестве чувствительного элемента в этих манометрах (рис. 65) используют одно- и многовитковые пружины, упругие мембраны и сильфоны.
В одно- и многовитковых пружинных манометрах (рис. 65, а, б) измеряемое давление подается во внутреннюю полость через закрепленный неподвижный конец. Второй конец пружины запаивается и соединяется с показывающей системой. Пружины изготовляют из латуни и других медных сплавов, а для высоких давлений – из хромоникелевых сталей. Поперечное сечение пружины представляет собой эллипс, большая ось которого перпендикулярна к плоскости витка пружины.
При повышении давления поперечное сечение пружины «округляется», т. е. увеличивается малая ось эллипса, а угол закручивания пружины уменьшается. Шкала пружинного манометра равномерная, так как пружина работает в зоне пропорциональности между деформацией и напряжением. Перемещение свободного конца одновитковой пружины не превышает 5 ... 8 мм. Поэтому для увеличения угла поворота стрелки в манометрах применяют передаточный механизм: рычажный или зубчатый.
Манометры с одновитковой пружиной изготовляют образцовыми, контрольными и техническими: классы точности – от 0,2 до 4,0; пределы измерений 100 кПа ... 1000 МПа.
Многовитковая трубчатая пружина представляет собой последовательное соединение нескольких одновитковых пружин, благодаря чему она имеет сравнительно большое перемещение свободного конца и развивает значительные усилия. Поэтому многовитковые пружины широко применяют в регистрирующих манометрах. Последние выпускают с верхним пределом измерения до 160 МПа.
В мембранных манометрах чувствительным элементом являются упругая мембрана (рис. 65, в), мягкая мембрана, например резиновая с дополнительной пружиной (рис. 65, г), мембранные коробки: одинарные (рис. 65, д) и двойные (рис. 65, е).
Мембранный манометр типа ММ (рис. 66) предназначен для измерения давления до 2,5 МПа.
В манометре под действием измеряемого давления мембрана 2, находящаяся в коробке 1, прогибается, перемещая шток 3, соединенный через рычаг 4 с зубчатым сектором 6. Зубчатый сектор находится в зацеплении с зубчатым колесом 8, которое через пружину, 9 соединено со стрелкой 7, перемещающейся по шкале 5. Снизу у манометра предусмотрен резьбовой штуцер для установки манометра на объект измерения.
Мембранные манометры применяют, как правило, для измерения небольших давлений. Недостатками мембранных манометров являются малая чувствительность системы, трудность регулировки и изменение характеристик во времени вследствие «усталости мембраны».
Рис. 66. Мембранный манометр
Манометры с упругими мембранными коробками применяют для измерения атмосферного давления и называются барометрами- анероидами. Атмосферное давление воздействует на герметически закрытую мембранную коробку, во внутренней полости которой создан вакуум.
Для изготовления мембран используют бронзу, латунь и хромоникелевые сплавы.
Принцип действия сильфонных манометров основан на уравновешивании измеряемого давления силами упругой деформации чувствительного элемента, выполненного в виде сильфона (см. рис. 65, ж, з). Последний представляет собой тонкостенную цилиндрическую емкость с поперечной гофрировкой. Сильфоны изготовляют из фосфористой бронзы или коррозионно-стойкой стали. Толщина стенки сильфона колеблется в пределах 0,1 ... 0,3 мм, а диаметр изменяется от 8 до 150 мм. Упругая характеристика сильфонов практически линейна. Для увеличения жесткости внутри сильфона размещают винтовую пружину (см. рис. 65, з).
Манометры с сильфоном выпускают для измерения давления и перепада давлений в пределах 25 ... 400 кПа и разрежения – 0 ... 98 кПа.
Принцип действия грузопоршневых манометров основан на уравновешивании давления калиброванным грузом. Их применяют для измерения высоких давлений (до 1000 МПа) и используют в качестве образцовых и контрольных приборов (классы точности приборов 0,02; 0,05; 0,2). Применение поршневых манометров для технических измерений крайне ограничено.
Рассмотрим устройство грузопоршневого манометра, предназначенного для поверки рабочих манометров и контрольных измерений (рис. 67). Стальной сосуд 14 через воронку 10 и игольчатый клапан 9 заполняют трансформаторным маслом. В вертикальном цилиндре 7 выполнен канал, в который вставлен шлифованный поршень 6 с тарелкой для груза 5. Штуцеры 11 и 3 предназначены для ввертывания поверяемых манометров 4. Игольчатые вентили 1, 2, 12 служат для перекрытия каналов, а вентиль 8 для спуска масла. Рабочее давление в сосуде определяется массой груза 5. Перемещение поршня 13 вызывает подъем поршня 6 с грузом.
Электрические манометры используют главным образом для измерения сверхвысоких и пульсирующих с высокой частотой давлений. Работа электрических манометров основана на зависимости электрических характеристик чувствительных элементов от давления. К числу таких приборов можно отнести пьезоэлектрические, индукционные и тензометрические манометры.
В пьезоэлектрических манометрах используется пьезоэлектрический эффект, под которым понимают появление электрических зарядов на поверхности ряда кристаллических диэлектриков при их деформации. К числу таких диэлектриков принадлежат кварц, сегнетова соль, турмалин, титанат бария и керамика ЦТС (цирконат-титанат свинца). Достоинством пьезоэлектрических манометров является малая инерционность, поэтому их применяют для измерения давлений, пульсирующих с высокой частотой.
Рис. 67. Схема грузопоршневого манометра
Рис. 68. Схема индуктивного (индукционного) манометра
У манометров с электрическим индуктивным выходом давление, измеряемое упругим чувствительным элементом, преобразуется в электрический сигнал, передаваемый индуктивным преобразователем на вторичный прибор.
Наиболее распространенным манометром этого типа является электрический дистанционный манометр МЭД. В корпусе диаметром 160 мм помещены держатель с трубчатой одновитковой пружиной, передаточный механизм и индукционная катушка. Давление Р контролируемой системы (рис. 68) подводится к трубчатой пружине 1 через радиальный штуцер и, вызывая ее деформацию, перемещает магнитопровод 3 индукционной катушки. Каждому значению измеряемого давления соответствует определенное положение магнитопровода в катушке. Катушка 2 манометра и катушка вторичного прибора 4 включены по дифференциально-трансформаторной схеме. Выходной параметр прибора – взаимная индуктивность между первичными и вторичными цепями трансформатора. Чем больше погружен магнитопровод, тем большее напряжение подводится во вторичной обмотке и поступает по вторичному прибору.
Индукционные манометры работают в комплекте со вторичными взаимозаменяемыми приборами и системами централизованного контроля и регулирования. Манометры МЭД выпускают с верхним пределом показаний 160 МПа и классами точности 1 и 1,5.
Тензометрические манометры имеют в качестве чувствительного элемента мембрану с наклеенными на нее тензорезисторами. Их принцип действия заключается в непосредственном преобразовании деформации упругой мембраны под воздействием давления в изменение электрического сопротивления резисторов.
Таблица 9