Как найти давление воздуха в манометре

Ни одно современное здание не обходится без отопительной системы. А для ее стабильной и безопасной эксплуатации требуется точный контроль давления теплоносителя. Если давление в пределах гидравлического графика стабильное, то отопительная система работает нормально. Однако при ее повышении появляется риск разрыва трубопровода.

Понижение давления также может привести к таким негативным последствиям, как, например, образование кавитации, то есть в трубопроводе образуются пузырьки воздуха, которые, в свою очередь, могут вызвать коррозию. Поэтому поддерживать нормальное давление крайне необходимо, и благодаря манометру это становиться возможным. Помимо отопительных систем такие приборы применяются в самых различных областях.

Описание и назначение манометра

Манометр представляет собой прибор, измеряющий уровень давления. Существуют такие виды манометров, которые применяются в самых разных отраслях, и, разумеется, для каждой из них предназначен свой манометр. Для примера можно взять барометр — прибор, предназначенный для измерения давления атмосферы. Они широко применяются в машиностроении, в сельском хозяйстве, в строительстве, в промышленности и в других сферах.

Эти приборы измеряют давление, и это понятие растяжимое, по крайней мере, и у этой величины также есть свои разновидности. Чтобы ответить на вопрос о том, какое давление показывает манометр, стоит рассмотреть этот показатель в целом. Это величина, определяющая отношение силы, действующей на единицу площади поверхности, перпендикулярно этой поверхности. Практически любой технологический процесс сопровождается этой величиной.

Виды давления:

• атмосферное — давление атмосферы земли, которое создается массой воздушного столба;
• абсолютное давление —это показатель, отсчет которого с учетом атмосферного, начинается с нуля;
• избыточное — под избыточным подразумевают разность двух показателей атмосферного и абсолютного;
• вакуум или, другими словами, разряженное — наоборот, представляет собой разницу абсолютного и атмосферной или барометрической величины;
• дифференциальное — это разность между двумя измеряемыми показателями, которые не имеют отношения к природным показателям.

Для измерения каждого из перечисленных выше видов показателей существуют определенные типы манометров.

Классификация приборов

Типы манометров различаются по двум признакам: по виду измеряемого ими показателя и по принципу действия.

По первому признаку они подразделяются на:

• приборы, предназначенные для измерения атмосферного давления, иначе они называются барометры;
• приборы, измеряющие избыточное и абсолютное;
• вакуумметры, призваны измерять разность атмосферного и абсолютного давлений;
• напорометры, измеряют малое (до 40 кПа) избыточное давление;
• тагометры, вид вакуумметра, которое измеряет избыточное давление верхнего предела 40 кПа;
• дифференциальные манометры, измеряют разность давлений.

Они работают по принципу уравновешивания разницы давлений определенной силой. Поэтому устройство манометров разное, в зависимости от того, как именно происходит это уравновешивание.

По принципу действия они делятся на:

• жидкостные, уравновешивание разницы давлений в таких приборах происходит за счет гидростатического давления столба жидкости, в устройстве используется принцип сообщающихся сосудов;
• пружинные имеют простую конструкцию, и широко применяются для измерения давления среды в широких диапазонах;
• мембранные, основаны на пневматической компенсации, уравновешивание давления происходит за счет силы упругости мембранной коробки;
• электроконтактные, применяются в автоматических системах контроля и сигнализации, поскольку с их помощью можно регулировать измеряемую среду благодаря встроенному в корпус электроконтактному механизму;
• дифференциальные используются для измерения уровня жидкостей под напором расхода жидкости, пара и газа с помощью диафрагм.

По назначению существуют такие виды манометров, как:

• общетехнические приборы применяются для измерения напора жидкостей, газов и паров, химически нейтральных к сплавам меди;
• кислородные, они производятся в корпусах голубого цвета с указанием О2 на циферблате, применяются для измерения кислородного давления в баллонах или вакуумах;
• ацетиленовые применяются для контроля избыточного давления ацетилена;
• эталонные применяются в целях проверки других приборов, поскольку они обладают большой точностью;
• судовые применяются в судах и морском транспорте;
• железнодорожные используются на железнодорожном транспорте;
• самопишущие имеют встроенный механизм, который позволяет воспроизводить на бумаге результат работы.

Устройство и принцип действия

Устройство манометра может иметь различную конструкцию в зависимости от вида и предназначения. Так, например, устройство, измеряющее напор воды, имеет довольно простую и понятную конструкцию. Она состоит из корпуса и шкалы с циферблатом, которая отображает значение. В корпусе имеется встроенная пружина трубчатая либо мембрана с держателем, трипко-секторным механизмом и упругий элемент. Прибор функционирует по принципу уравнивания давления за счет силы изменения формы (деформации) мембраны либо пружины. А деформация, в свою очередь, приводит в движение чувствительный упругий элемент, действие которого отображается на шкале с помощью стрелки.

Жидкостные манометры состоят из длинной трубки, которую наполняют жидкостью. В трубке с жидкостью находится подвижная пробка, на которую влияет рабочая среда, измерять силу напора следует в зависимости от перемещения уровня жидкости. Манометры могут предназначаться для измерения разницы, такие устройства состоят из двух трубок.

Поршневые — состоят из цилиндра и поршня, расположенного внутри. Рабочая среда, в которой измеряется давление воздействует на поршень и уравновешивается грузом некоторой величины. Когда показатель изменяется, поршень перемешается и приводит в действие стрелку, которая показывает значение давления.

Термопроводные состоят из нити накаливания, которые нагреваются, когда через них пропускается электрический разряд. Принцип работы таких приборов основан на снижении теплопроводности газа с давлением.

Манометр Пирани назван так в честь Марчелло Пирани, который впервые сконструировал устройство. В отличие от термопроводных, состоит из металлической проводки, которая также нагревается во время прохождения через нее тока и охлаждается под воздействием рабочей среды, а именно газа. При уменьшении давления газа снижается и эффект охлаждения, а температура проводки возрастает. Величина измеряется посредством измерения напряжения в проводе во время прохождения через нее тока.

Ионизационные являются самыми чувствительными устройствами, которые используются для вычисления малых давлений. Как следует из названия устройства, его принцип работы основывается на измерении ионов, которые образуются под воздействием электронов на газ. Количество ионов зависит от плотности газа. Однако ионы имеют очень нестабильную природу, которая напрямую зависит от рабочей среды газа или пара. Поэтому для уточнения применяются другой вид манометра Мак Леода. Уточнение происходит за счет сравнения показателей ионизационного манометра, с показаниями прибора Мак Леода.

Существует два вида ионизационных устройств: с горячим и холодным катодом.

Первый вид был сконструирован Баярдом Аллертом, состоит из электродов, которые работают в режиме триода, а в качестве катода выступает нить накала. Самый распространённый вид горячего катода — ионный манометр, в конструкции которого помимо коллектора, нити и сетки встроен небольшой ионный коллектор. Такие приборы очень уязвимы, они могут легко потерять калибровку, в зависимости от условий работы. Поэтому показания этих приборов всегда логарифмичны.

Холодный катод также имеет свои разновидности: интегрированный магнетрон и манометр Пеннинга. Их главное отличие заключается в положении анода и катода. В конструкции этих приборов нет нити накалывания, поэтому им для работы им требуется напряжение до 0,4 кВт. Использовать такие устройства не эффективно при низком уровне давления. Поскольку они могут просто не заработать и не включиться. Принцип их работы основан на выработке тока, что невозможно при полном отсутствии газа, особенно для манометра Пеннинга. Так как устройство работает только в определенном магнитном поле. Оно необходимо для создания нужной траектории движения ионов.

Маркировка по цвету

Манометры, измеряющие давление газа, имеют цветные корпуса, их специально окрашивают в различные цвета. Существует несколько основных цветов, которые используются для окрашивания корпуса. Как, например, манометры, которые измеряют давление кислорода, имеют корпус голубого цвета с условным обозначением О2, аммиачные манометры имеют корпус, окрашенный в желтый цвет, ацетиленовые — белого цвета, водородные — темно-зеленого, хлорные — серого. Приборы, измеряющие давление горючих газов, окрашиваются в красный цвет, а негорючих —черный.

Преимущества использования

В первую очередь, стоит отметить универсальность манометра, который заключается в возможности контролировать давление и поддерживать ее на определенном уровне. Во-вторых, устройство позволяет получить точные показатели нормы, так и отклонение от них. В-третьих, доступность практически любо человек может себе позволить приобрести данный прибор. В-четвертых, устройство способно работать стабильно и бесперебойно на протяжении длительного времени, и не требует специальных условий или навыков.

Использование таких устройств в таких областях, как медицина, химическая промышленность, машино- и автомобилестроение, морской транспорт и других требующих точного контроля давления, значительно облегчает работу.

Класс точности прибора

Манометров очень много, и каждому виду присваивается определенный класс точности согласно предписаниям ГОСТ, под которым понимается допустимая погрешность, выражающаяся в процентном отношении к диапазону измерений.

Существует 6 классов точности: 0,4; 0,6; 1; 1,5; 2,5; 4. У каждого типа манометра они также различаются. Приведенный выше список относится к рабочим манометрам. Для пружинных устройств, к примеру, соответствуют следующие показатели 0,16; 0,25 и 0,4. Для поршневых — 0,05 и 0,2 и так далее.

Класс точности имеет обратно пропорциональную зависимость от диаметра шкалы прибора и от типа прибора. То есть, если диаметр шкалы больше, то точность и погрешность манометра уменьшается. Класс точности условно принято обозначать следующими латинскими буквами KL также можно встретить и CL, которая указывается на шкале прибора.

Значение погрешности можно вычислить. Для этого используется два показателя: класс точности или KL и диапазон измерений. Если класс точности (KL) равен 4, то диапазон измерений составит 2,5 МПа (Мегапаскаль), а погрешность будет равна 0,1 МПа. Вычисляется по формуле произведение класса точности и диапазона измерений, деленное на 100. Поскольку погрешность выражается в процентах, результат нужно переводить в проценты путем деления на 100.

Помимо основного вида, существует и дополнительная погрешность. Если для вычисления первого вида используются идеальные условия или натуральные величины, влияющие на особенности конструкции прибора, то второй вид напрямую зависит от условий. Например, от температуры и вибрации или других условий.

3.1. U-образные манометры

      U—образный манометр – это жидкостный манометр, состоящий из сообщающихся сосудов, в которых измеряемое давление определяют по одному или нескольким уровням жидкости/16/.

В U-образных стеклянных манометрах свободный конец трубки сообщается с атмосферой, а к другому концу подводится измеряемое давление. Простейшая схема измерения давления жидкостным стеклянным манометром показана на рис. 3.1.

        Атмосферное давление р_атм воздействует на один конец U-образной трубки, частично заполненной рабочей жидкостью. Другой конец трубки с помощью различного рода подводящих устройств соединен с областью измеряемого давления р_абс. При р_абс  > р_атм жидкость, находящаяся в части подведенного измеряемого давления, будет вытесняться в часть, соединенную с атмосферой. В результате между уровнями жидкостей, находящимися в разных частях U-образной трубки, образуется столб жидкости, высота h которого определяется из выражения  

h = (р_абс – р_атм)/((r_ж – r_атм )g),                   (3.1) 

где р_абс – абсолютное измеряемое давление; r_ж – плотность рабочей жидкости; r_атм – то же окружающей атмосферы; g – ускорение свободного падения, принимаемое в среднем равным 9,80665 м/с², но имеющее зависимость от географической широты местности.

Высота столба рабочей жидкости h состоит из двух частей: высоты h₁, представляющей понижение столба жидкости относительно начального – «нулевого» уровня, и высоты h₂ – отражающей его повышение в другой части U-образной трубки, т. е. увеличение относительно начального положения – («нуля»).

Плотностью окружающей среды, т. е. воздуха из-за условия r_ж >> r_атм можно пренебречь. Учитывая выражение (1.3), определяющее разность между абсолютным и атмосферным давлением как избыточное, зависимость (3.1) может быть представлена как 

                     h = р_изб/(r_ж g).                              (3.2) 

Здесь р_изб – измеряемое избыточное давление.

Из (3.2) измеряемое избыточное давление, определяемое с помощью стеклянного жидкостного манометра, может определяться как

                       р_изб = hr_ж g.                               (3.3) 

     Для измерения давления разряженных газов используются жидкостные стеклянные манометры, схема которых представлена на рис. 3.2.

        В этих приборах к одному концу стеклянной U-образной трубки подводится вакуумметрическое давление, другой конец герметично запаян. Для этого случая выражение (3.1) в общем виде можно представить как  

                          – h = (р_атм – р_абс)/(r_ж g).                 (3.4) 

В торце запаянного конца давление равно нулю.

Если в запаянном конце будет находиться воздух, то вакуумметрическое избыточное давление может быть определено как 

 р_атм – р_абс = р_изб – hr_ж g.                       (3.5) 

В некоторых типах приборов воздух в запаянном конце «откачивается» и при заполнении рабочей жидкостью близко к «абсолютному нулю», т. е. прибор заполняется рабочей жидкостью под вакуумом и давление противодействия р_атм = 0. Тогда выражение (3.5) может быть представлено в следующем виде:  

                   р_абс= hr_ж g.                                (3.6) 

Конструкция, в которой запаянный конец перед заполнением рабочей жидкостью вакууммируется, может использоваться в качестве барометра. Отсчет значения барометрического давления производится по величине столба жидкости в запаянной части трубки.

Минус в уравнении (3.4) определяет вакуумметрическое давление. Высота столба жидкости h в этом случае определяет верхний предел диапазона измерения и является составляющей 

h = h₁ + h₂.                                (3.7)

   Здесь h₁ и h₂ — высота столбов жидкости, вытесненной под воздействием измеряемого давления от начальной отметки – нуля в двух трубках U-образного манометра.

       На рис.3.3 показан U-образный жидкостный стеклянный мановакуумметр. U-образная стеклянная трубка 1 с помощью скоб 2 крепится на металлическом или деревянном основании 3. На нем же между двумя трубками установлена шкальная пластина 4 с нанесенной линейной разметкой. Трубка заполняется рабочей жидкостью до нулевой отметки относительно шкальной пластины. Утолщения на концах стеклянной трубки предназначены для более плотного подсоединения резиновых шлангов. 

При измерении избыточного давления к одному концу U-образной трубки подается среда измеряемого давления. Второй выход остается свободным и сообщается с атмосферой. Аналогичная ситуация происходит при измерении вакуумметрического давления. Симметричность линейной разметки на шкальной пластине обеспечивает применимость прибора для измерения избыточного и (или) вакуумметрического давления.

При измерении дифференциального (разностного) давления «плюсовый» и «минусовый» каналы подсоединяются к концам стеклянной U-образной трубки 1. Из-за симметричности линейной разметки практически отсутствуют различия в соответствии подведенного давления

на концах трубки.

U-образные жидкостные манометры с водой в качестве рабочей жидкости могут использоваться как напоромеры, тягонапоромеры и тягомеры для измерения давления воздуха, неагрессивных газов в диапазоне ±10 кПа. При давлении ±0,1 МПа рабочей жидкостью манометра может служить ртуть. Такие приборы применяются для измерения давления воды, неагрессивных жидкостей и газов.    

Ниже приведены приблизительные оценки основных погрешностей, воздействующих, по данным С. Ф. Чистякова/2/, на точность показаний стеклянного жидкостного ма-нометра:

· погрешность градуировки шкалы составляет до 0,2-0,4 мм;

· смачиваемость стекла – капиллярные силы вносят неточность до 0,1-0,2 мм;

· отклонение прибора от строго вертикального положения может приводить к погрешности до 0,03 % на каждый градус.

Кроме этого, достаточно большую погрешность могут вносить: неравномерность сечения стеклянных трубок по их высоте, а при точных измерениях, как это следует из (3.3), варьирование плотности рабочей жидкости r_ж с изменением ее температуры, а также ускорение свободного падения g.

При использовании табличных данных погрешность определения плотности рабочей жидкости r_ж, по показателям разных авторов, не превышает 0,005 %. Следует обратить внимание на применение жидкостей, способных поглощать влагу или испаряться. Так, в большинстве случаев теоретическая и реальная плотности спиртов различаются, и табличные данные принимаются по некорректным начальным параметрам, что изначально приводит к появлению погрешности.

Некоторые производители к документации на жидкостный измеритель давления прилагают таблицу изменения плотности рабочей жидкости и поправок на вариацию этой плотности в зависимости от температуры, а также, например, для спиртов, таблицу зависимости плотности от его крепости.

Ускорение свободного падения g незначительно зависит от географической широты местности. его величина остается постоянной в рабочем регионе, не зависит от измеряемого давления, и поэтому вносимые этим параметром погрешности не превышают  10^–3-10^–4 %.

Визуальная оценка оператором уровня также может влиять на погрешность измерения. Разработаны различные методы снижения такой погрешности. Например, установка несложной оптической системы, позволяющей «накладывать» реальный и перевернутый мениски жидкости, обеспечивает значительное повышение точности отсчета уровня жидкости в жидкостном манометрическом приборе.

М. А. Гуляев и А. В. Ерюхин /24/ предложили в зависимости от применяемых способов следующие значения погрешностей отсчета уровня ртутного манометра:

· по миллиметровой шкале – ±1 мм;

· по зеркальной шкале – ±0,2-0,3 мм;

· с помощью нониусного устройства – ±0,05-0,1 мм;

· катетометром – ±0,2 мм;

· интерференционным методом – ±10^–5 мм.

   При отсчете измеряемого уровня необходимо учитывать свойства рабочих жидкостей, у которых угол смачиваемости x различен (рис. 3.4). Так, при использовании высокосмачиваемых жидкостей (вода, спирт) отсчет рекомендуется вести по вогнутой части мениска, а при применении несмачиваемых жидкостей (таких, как ртуть) – по выпуклой его части на оси трубки. Кроме этого, смачиваемость и текучесть жидкости предопределяют минимальный диаметр используемых трубок. При применении спирта в качестве рабочей жидкости рекомендуется минимальный внутренний диаметр стеклянных трубок 5 мм, ртути – 8 мм, воды – 15 мм.

      При использовании ртути в качестве рабочей жидкости, особенно при точных измерениях, когда в чашечных манометрах применяются капилляры и сечения широкого сосуда и капилляра существенно отличаются, может наблюдаться эффект капиллярной депрессии. Сущность этого эффекта состоит в различии уровней несмачиваемой жидкости в сообщающихся капилляре и широком сосуде при воздействии одного и того же давления на поверхности жидкостей в этих объемах.

В промышленных условиях, как следует из приведенного выше материала, требуется тщательный контроль применяемых в жидкостных манометрах стеклянных трубок, так как их внутренний диаметр на практике может колебаться от 8 до 12 мм, что вносит существенные погрешности в результат измерения. 

 По данным разных специалистов/25/, без дополнительных оптических приспособлений погрешность показаний стеклянных жидкостных манометров принимается в лучшем случае равной ±1 мм. При использовании U-образных жидкостных манометрических приборов отсчет двух уровней (на каждой трубке) приводит к погрешности измерений ±2 мм при температуре  окружающей  среды  20 ± 5 °С. Верхние пределы измерений для стеклянных жидкостных манометров 100, 160, 250, 400, 600 и 1000 мм. Соответственно при одной и той же погрешности отсчета высоты столба жидкости класс точности жидкостного прибора колеблется от 2 до 0,2.

   Для обеспечения корректности измерений обязательным является очистка внутренних поверхностей стеклянных трубок от пыли и грязи. С этой целью стеклянные жидкостные манометры промывают насыщенным раствором двухромовокислого калия (хромпика) в серной кислоте, затем – спиртом и водой.