Устройство и принцип действия пружинных манометров

Общая информация

Прибор для измерения давления газов или жидкостей в замкнутом пространстве называется манометром. Его принцип действия основан на равенстве измеряемого давления и силы упругости (деформации) трубчатой пружины (пружинный механизм). В некоторых моделях применяется чувствительная двухпластинчатая мембрана (мембранный тип). Один ее конец запаян в держатель, а другой через тягу взаимодействует с трибко-секторным механизмом, который преобразует перемещение элемента в круговое движение стрелки.

Физический смысл давления

Давление (Р) является физической величиной, которая равна силе (Fn), действующей перпендикулярно на единицу площади поверхности. Иными словами, величина давления в произвольном элементе поверхности определяется таким образом: отношение нормальной составляющей силы (dFn), которая действует на участок поверхности площадью dS. Соотношение имеет следующий вид: P = dFn / dS. Если необходимо вычислить среднее значение величины P, то следует воспользоваться формулой: Pср = F / S.

Единицей измерения является паскаль (Па). Международное обозначение — Pa. Для упрощения расчетов используются единицы измерений с приставками: 1 кПа = 1000 Па, 1 МПа = 1000 кПа = 1000000 Па и т. д. Физический смысл 1 Па: сила, равная 1 Н, равномерно распределена по нормальной поверхности, площадь которой равна 1 метру квадратному. Существуют и другие единицы измерения: бар, килограмм-сила на кв. см., техническая атмосфера, миллиметр ртутного столба, миллиметр и метр водяного столба.

Типы приборов

Приборы, которые измеряют величину избыточного давления и разрежение (ниже атмосферного), имеют определенные разновидности. Они классифицируются следующим образом:

Манометры.
Вакуумметры.
Мановакуумметры.
Напоромеры.
Тягомеры.
Тягонапоромеры.
Барометры.
Тонометры.

Отличие первой группы от всех заключается в диапазоне измерений. Он колеблется от 0,06 до 1000 МПа. Измеряется положительная разность между абсолютным и барометрическим значениями. Вакуумметры измеряют разрежение, т. е. величину ниже атмосферного давления. Третья группа приборов является комбинированной, поскольку измеряет избыточное и вакуумметрическое давление. В первом случае диапазон измерений находится в пределах от 60 до 240000 кПа.

Напоромеры — приборы для измерения величин, значения которых не превышают 40 кПа. Пятая группа измеряет низкие значения (до -40 кПа). Тягонапоромеры являются комбинированными устройствами, измеряющими давление в пределах от -40 кПа до 40 кПа. Барометры показывают величину атмосферного давления. Тонометры применяются в медицине для измерения значений кровяного давления человека.

Классификация манометров по конструкции осуществляется следующим образом: жидкостные, грузопоршневые и деформационные. Последний тип включает в свою конструкцию чувствительный элемент. Он представляет собой трубчатую пружину. В моделях с высоким классом точности применяется мембрана. Класс точности также влияет на классификацию приборов (чем меньше величина, тем он точнее): 0,15; 0,25; 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5 и 4.

Какие виды существуют?

Список основных видов манометров для воды:

Самые распространенные – общетехнические пружинные манометры для воды, с диапазоном измерения от 0 до 10 или от 0 до 6 атмосфер. Диаметр корпуса может быть от 40 до 160 мм, чаще всего – 100.
Котловые – с диаметром корпуса 250 мм. Они нужны, чтобы на расстоянии снимать показания прибора.
Виброустойчивые манометры – заполнены внутри вязкой жидкостью, в частности раствором глицерина или силиконовым маслом. Измеряют давление в условиях сильных вибраций. Применяются на насосных станциях, автомобилях, компрессорах, поездах.
Коррозионностойкие манометры – для работы с химически агрессивными средами.
Высокоточные нужны для поверки и опрессовки.
Цифровые электронные – механическая сила преобразуется в электрический сигнал. Показания снимают с табло, можно программировать, некоторые приборы можно подключать к компьютеру.
Электроконтактные (сигнализирующие) – приборы, в которых устанавливается верхний и нижний пределы давления. В случае их преодоления электронный прибор срабатывает и передает сигнал на управляющее устройство.
Термоманометры – это приборы, измеряющие давление и температуру в системе отопления или водоснабжения. На лицевой стороне две шкалы, по которым снимают показания.

Принцип — работа — манометр

Принцип работы манометра с трубчатой пружиной заключается в следующем. Под действием внутреннего давления сечение трубчатой пружины стремится принять круглую форму, вследствие-чего свободный конец пружины, который связан со стрелочным механизмом, разворачивается и перемещает стрелку по шкале прибора.

Принцип работы манометра с трубчатой пружиной заключается в следующем. Под действием внутреннего давления сечение трубчатой пружины стремится принять круглую форму, вследствие чего свободный конец пружины, который связан со стрелочным механизмом, разворачивается и перемещает стрелку по шкале прибора.

Принцип работы манометра заключается в следующем.

Принцип работы манометра с контрольной стрелкой заключается в том, что при повышении давления рабочая стрелка, передвигаясь по шкале с помощью штифта, ведет за собой контрольную стрелку. При снижении давления рабочая стрелка возвращается обратно на соответствующее деление, а контрольная остается на прежнем месте. Перевести ее обратно можно только после снятия пломбы и вскрытия манометра.

Принцип работы манометра заключается в следующем.

Принцип работы электроиндукционного манометра заключается в следующем.

Диференциальный индикатор с комбинацией мембран раз-ч увствительности.

Принцип работы бурдоиовского манометра основан на стремлении трубки при повышенном давлении выпрямляться. При этом стрелка, связанная со свободным концом трубки, отклоняется от своего первоначального положения. Так как распрямление трубки до известного предела пропорционально приложенному давлению, это позволяет построить равномерную шкалу отсчетов.

Кинематическая схема трубчатого элемента.

Устройство и принцип работы манометра с многовитковой пружиной принципиально не отличаются от устройства и принципа работы манометра с одновитковой пружиной. Различие состоит лишь в конструкции чувствительного элемента — пружины. Многовитковая пружина позволяет получить больший вращающий момент, поэтому эта конструкция в основном применяется в самопишущих манометрах.

Кинематическая схема трубчатого элемента.

Принцип работы манометров с холодным катодом ( иногда их называют также ионизационными манометрами Филлипса или манометрами Пеннинга) связан с процессами, возникающими при наложении высоковольтного напряжения между электродами в газоразрядных лампах. Помещая такую лампу в поле сильного постоянного магнита, можно легко добиться, чтобы электроны двигались от катода к аноду по спирали, что значительно усиливает вероятность ионизации молекул электронами и позволяет измерять усиленный ток ионизации при низких давлениях вплоть до 10 6 торр.

Трубчато-пружинный манометр

Трубчато-пружинный манометр ( рис. 120) состоит из согнутой полой трубки /, запаянной с одного конца. Открытый конец трубки сообщается через камеру 3 с штуцером 2, соединенным с аппаратом, в котором измеряется давление. Запаянный конец трубки / свободно перемещается. Газ ( или пар) из аппарата попадает через открытый конец в трубку, при этом ее изогнутый конец, соединенный рычагом 4, зубчатым сектором 5 и шестеренкой 6 со стрелкой 7, распрямляется.

Сигнализирующий манометр типа ЭКМ-1У.

Трубчато-пружинные манометры могут иметь корректор нуля. Для этого к свободному концу трубчатой пружины присоединяется конец небольшой винтовой пружины, закрепленной на кулачке корректора. Головка последнего выведена наружу с задней стороны корпуса прибора. При повороте ее изменяется натяжение винтовой пружины, а следовательно, и положение конца трубчатой пружины, связанного с указательной стрелкой.

В трубчато-пружинном манометре упругим чувствительным элементом является трубчатая пружина.

Как устроен трубчато-пружинный манометр.

Выпускаются также самопишущие трубчато-пружинные манометры МТС-711 с записью одного параметра, двухзаписной МТ2С — 711 с приводом диаграммы от синхронного двигателя, МТС-712 с записью одного параметра, двухзаписной МТ2С — 712 с приводом диаграммы от часового механизма.

Показывающий трубчато-пружииный манометр.

По своему назначению трубчато-пружинные манометры разделяются на промышленные и образцовые.

На точность измерений трубчато-пружинными манометрами оказывает большое влияние упругое последействие трубки, представляющее собой разность между перемещениями ее конца при одном и том же давлении в случае постепенного повышения ( прямой ход) и понижения ( обратный ход) давления. Исчезновение этой разности происходит через несколько минут или часов в зависимости от механических свойств трубки. Упругое последействие является одним из основных недостатков трубчато-пружин-ных манометров, так как вызывает непостоянство показаний последних. Оно в значительной мере определяет собой класс точности прибора.

Деформационные вакуумметры по своему устройству и принципу действия аналогичны трубчато-пружинным манометрам. Под влиянием атмосферного давления, действующего снаружи трубчатой пружины, и измеряемого вакуумметрического давления внутри пружины последняя изгибается, причем с увеличением разности этих Давлений степень изгиба увеличивается.

Весьма распространенным видом деформационных приборов, используемых для определения избыточного давления, являются трубчато-пружинные манометры, играющие исключительно важную роль в технических измерениях. Эти манометры изготовляются с одновитковой трубчатой пружиной, представляющей собой изогнутую по окружности металлическую упругую трубку овального сечения. Под действием измеряемого давления внутри трубки она частично раскручивается вследствие деформации ее сечения, которое стремится принять форму круга.

Грузопоршневой манометр типа МП-60.

Для поверки манометров на более высокие конечные значения шкалы ( до 25 МПа) дополнительно применяется образцовый трубчато-пружинный манометр, устанавливаемый в один из штуцеров пресса. При давлениях, близких к предельному для грузопоршневого манометра, отключают колонку вентилем 10 и дальнейшее повышение давления производят вращением маховика 14 винтового пресса, сравнивая через определенные интервалы показания поверяемого и образцового манометров.

Увеличение температуры манометра выше нормальной искажает его показания в сторону завышения измеряемого давления. Для точного определения поправки на температуру прибора необходимо знать его температурный коэффициент, значение которого для ряадрттыт типов манометров колеблется в широких пределах. Приближенно можно принять, что дополнительная погрешность трубчато-пружинного манометра составляет 0 4 % при отклонении температуры окружающего воздуха на каждые 10 С от значения 20 5 С в диапазоне температур О-60 С.

Для измерения избыточного давления до 30 мм вод. ст. применяют обычно тягомеры. Более высокое давление и разрежение измеряют U-образными манометрами и металлическим трубчато-пружинным манометром.

Давление воды в водопроводе

Малый напорный уровень

При достаточно низком напоре, что проявляется посредством достаточно слабой подачей воды непосредственно из крана и указывает о вполне низком уровне. Достаточно актуальной и распространенной проблемой является для жителей верхних этажей, а также владельцев загородных жилищ. Слабое давление в водопроводе будет отказывать работать многие необходимые бытовые приборы, что станет весомой проблемой, а также появится желание исправить такую ситуацию.

Выполнение монтажных работ, для установки оборудования, что способно увеличить такой показатель является основополагающей методикой для обеспечения решения такого вопроса. Естественно, прежде чем применять современные агрегаты, предназначенные для этих целей, следует определить не засорена ли система, что может также являться одной из причин такого явления.

Определенным образом такую проблему вполне можно устранить при помощи специализированного насосного агрегата, что будет способствовать повышению давления либо модернизацией самой системы при помощи интеграции станции насосной с накопителем.

Естественно, более рациональный и подходящий способ следует определить непосредственно самому собственнику, что определяется преследуемыми целями, а также необходимыми объемами жидкости, что потребуется для полноценного обеспечения жилища.

Классификация манометров по принципу работы

В наши дни работающие в условиях давления устройства используются практически во всех сферах жизнедеятельности человека. Следовательно, вместе с ними применяются и манометры, дающие точную информацию о показателях давления. При этом измерительные приборы могут отличаться между собой по конструкции и принципу действия. Имеющиеся на рынке устройства делятся на такие виды:

Современные манометры также делятся между собой на механические и электронные устройства. Механический манометр для насоса или системы водоснабжения имеет простую конструкцию, однако не может достаточно точно измерить давление. В конструкцию электронного прибора входит контактный узел, который более точно измеряет давление рабочей среды.

По способу использования манометры делятся между собой на такие виды:

Стационарные – такие приборы монтируются и применяются только на определенном агрегате без возможности демонтажа измерительного устройства. Зачастую на используемом агрегате также применяется регулятор давления для воды с манометром;
Переносные – эти измерительные приборы могут демонтироваться и использоваться для работы с разными агрегатами и в различных системах. Переносной прибор обладает меньшими габаритами.

Каждый из перечисленных видов приборов нашел свое активное применение. Многие из современных моделей используются в системе отопления частного дома или в квартире, другие – применяются для обслуживания крупных промышленных предприятий.

Не знакомые с измерительными приборами люди часто не могут отличить манометр давления воды в системе водоснабжения от прибора, который используется для измерения давления воздуха и газа. Внешне оба эти устройства практически не отличаются друг от друга. Тем не менее, различие между ними все-таки есть.

Разница между манометром для воды и воздуха заключается в конструкции и принципе их действия. В приборах для воды роль чувствительного элемента играет мембрана и сосуд с жидкостью. В воздушных манометрах чувствительным элементом служит трубчатая пружина, которая при работе заполняется газом или воздухом.

Узнать показатели давления воды в трубопроводе можно без помощи манометра. Все, что для этого требуется – это использовать самодельное приспособление из прозрачного 2-метрового шланга, которое очень просто изготовить своими руками.

В основном, шланг применяется с целью получения замеров давления воды на выходе из крана. Чтобы узнать нужные показатели, один конец шланга вставляется в кран, а второй закупоривается пробкой. После этого в шланг нужно впустить немного воды.

Прежде, чем начать «эксперимент», потребуется выполнить 2 условия:

Установить шланг в вертикальное положение;
Переместить нижний конец шланга так, как указано в схеме.

P – давление в системе, измеряемое в атмосферах;
Pатм – давление, которое присутствует внутри шланга до момента открытия крана;
H0 – высота воздушного столба внутри шланга до момента открытия крана;
H1 – высота воздушного столба после заполнения шланга водой.

Нужно отметить, что собранное приспособление по принципу действия полностью повторяет обыкновенный жидкостный манометр.

Требования к манометрам

Цвет корпуса указывает на тип измеряемого газа: желтый – аммиак, голубой – кислород, черный – негорючие, красный – горючие

Точные показатели, в соответствии с которыми устройство проводит замеры, напрямую зависит от правильности его подбора и монтажа в сочетании с эксплуатационными условиями. При подборе нужно учитывать физические и химические свойства измерительной среды и предполагаемые данные по давлению. Например, для условий с высоким содержанием агрессивных газов, лучше приобретать специальные приборы, изготовленные из прочных материалов. Диаметр стекла манометра должен быть не меньше 10 или 16 см, если его размещают на дистанции от 2 до 3 метров.

Устройства, применяемые в газовых средах, имеют различные оттенки корпуса, к примеру, голубой указывает на работу с кислородом, желтый с аммиаком, красный и черный подходят для горючих и негорючих газов соответственно. По правилам безопасности не рекомендуется пользоваться манометрами с истекшим сроком поверки, а также при отсутствии пломбы или отметки о проведении этой процедуры. Если стрелка прибора не возвращается к нулевому показателю после отключения, он тоже считается нерабочим.

Подключение к системе водоснабжения

Чтобы измерить давление в водопроводной системе, к ней надо подсоединить манометр.

Возможные места подключения к водопроводу в квартире:

шланг душа;
подводка к бачку унитаза;
шланг к стиральной или посудомоечной машине;
подводка к смесителю на кухне или в ванной;
магистральный фильтр.

В некоторых случаях для подсоединения манометра потребуется навинтить переходник. Если подходящего переходника нет, то используют резиновый шланг, который зажимают хомутами.

Перед тем как разгерметизировать систему (открыть краны), надо перекрыть воду. Если манометр устанавливается для постоянной работы, то его необходимо защитить от гидроударов, пульсаций среды, перепадов температур.

Для этого перед ним устанавливают:

демпферные блоки – клапаны, трехходовые краны, игольчатые вентили, позволяющие перекрывать воду и сбрасывать избыточное давление;
сифонная трубка применяется, если температура рабочей среды больше 80℃;
мембранные разделители предохраняют от попадания в манометр абразивных веществ, агрессивных сред.

Устанавливая манометр, надо следить, чтобы циферблат был расположен вертикально, а показания хорошо читались. Запрещено прикладывать усилия к корпусу, закручивая его.

Область применения манометров

Манометры различаются не только по области использования, но и по типу механизма для снятия показаний давления в среде. Здесь выделяют пять стандартных групп приборов.

Электроконтактные

Подходят для систем автоматического контроля давления и его регулировки.
В основе конструкции прибора – две подвижные стрелки, которые нужно установить на минимальные и максимальные допустимые показатели.
При достижении одной из граничных величин электроцепь замыкается, и пульт управления получает сигнал для сброса давления или отключения системы.

Жидкостные

Работают по физическому принципу сообщающихся сосудов.
Для измерения давления в столбе жидкости.
Работают в контакте с жидкостной средой, из-за чего часто загрязняются и делают неточные замеры.
На сегодняшний день используются все реже.

Пружинные

Наиболее популярные приборы с простой и надежной конструкцией.
Могут выполнять измерения в пределах 0,1-4000 Бар.
В механизме предусмотрен чувствительный элемент в виде трубки овального сечения, которая сжимается как пружина и передает силу воздействия на измерительный модуль.

Дифференциальные

Эти манометры считаются сложными механизмами и работают по принципу деформации внутренних блоков. Эти элементы конструкции восприимчивы к давлению и по мере деформирования передают показания на измерительный блок. Указатель будет двигаться до тех пор, пока перепады давления не сменятся стабильными значениями.

Мембранные

Работают по физическому принципу пневматической компенсации.
Основным элементом прибора считается специальная мембрана, которая изгибается под действием давления.
Чувствительный механизм отслеживает эти изменения и выдает величину давления.

Назначение приборов измерения давления

Манометры применяют в системах оборота газов, паров и жидкостей, то есть везде, где есть необходимость контролировать или регулировать напор потоков. Сфера применения измерителей давления обширна, но наиболее востребованы такие приборы в теплоэнергетике, пищевой промышленности, на нефтехимических предприятиях.

Основное назначение манометра — постоянно отображать внутреннее напряжение в трубопроводе, тем самым предотвращая аварийные ситуации и разрушение гидравлической сети. Не менее опасно и недостаточное давление, которое может привести к образованию внутри системы труб пузырьков воздуха (кавитации) и возникновению гидравлического удара. Примеры применения манометров в быту:

отопительные системы в коммунальном хозяйстве;
наблюдения за состоянием атмосферы с помощью барометров;
контроль здоровья сердца и сосудов человека тонометром.

Разновидности манометров можно объяснить через понятие давления. Единица его измерения — кг/см²: отношение силы к площади поверхности, на которую нагрузка воздействует. Проявление этой величины может быть разным:

атмосферное давление — гнёт воздушной оболочки Земли;
абсолютное — его отсчёт начинается с нуля, включает в себя вес столба воздуха;
избыточное — разность между полным и атмосферным воздействием;
разряжённое или вакуумное давление — отличие абсолютной нагрузки от величины воздушного столба;
дифференциальное — перепад между двумя измеряемыми характеристиками.

Опубликовано 02.06.2020 Обновлено 13.06.2020 Пользователем admin

Виды и конструкция прибора

Корпус.
Стрелки прибора.
Шестерёнки.
Ось.
Поводок.
Зубчатый сектор.

Между зубьями сектора и шестерёнки устанавливается специальная пружина, которая необходима для того, чтобы исключить мёртвый ход. Измерительная шкала представлена в Барах или Паскалях. Стрелка показывает избыточное давление той среды, в которой проводится замер. Принцип действия очень прост. Давление от измеряемой среды поступает внутрь трубки. Под его воздействием трубка пытается выровняться, так как площадь внешней и внутренней поверхностей имеет разную величину.

Свободный конец трубки совершает движение, при этом стрелка поворачивается на определённый угол благодаря передаточному механизму. Измеряемая величина и деформация трубки находятся в прямолинейной зависимости. Именно поэтому значение, которое показывает стрелка, и является давлением определённой среды.

По своему назначению манометры бывают следующих видов:

Самопишущие. В них находится механизм, который на бумаге позволяет чертить график работы устройства.
Железнодорожные. Применяются в железнодорожном транспорте.
Судовые. Используются на морском и речном судне.
Эталонные. У них высокий класс точности. Именно поэтому их применяют для испытаний, регулировки и проверки прочих измерительных приборов давления.
Специальные. Используются для измерения величины разнообразных газов. В зависимости от того, для какого газа они предназначаются, имеют разные цвета корпуса и маркировочные буквы: для измерения горючих газов — красные, для негорючих — чёрные, жёлтые аммиачные (А), белые ацетиленовые (Ац), голубые кислородные (К).
Электроконтактные. В них имеется электросигнализация, которая позволяет регулировать измеряемую среду. Эти приборы подразделяются на два типа: на основе электроконтактной приставки и с микровыключателями.
Общетехнические. Предназначены для измерения давления в различных средах. Ими можно мерить избыточные и вакуумметрические давления.

По принципу работы выделяют такие типы:

Пьезоэлектрические. Основываются на пьезоэффекте. В кристалле кварца появляется заряд при механическом воздействии.
Деформационные. Основываются на деформации чувствительного элемента (мембраны, сильфона, пружины и прочих), который при деформации действует на стрелку.
Жидкостные. Их основой является трубка, заполненная жидкостью. Они могут быть двух видов: с одной или двумя трубками. Приборы с двумя трубками используются для того, чтобы в разных средах сравнивать давление.
Поршневые. Они состоят из цилиндра, внутрь которого вставлен поршень.

Жидкостные системы измерения

Величина в этих манометрах измеряется при помощи уравновешивания веса жидкостного столба. Мерой давления является уровень жидкости в сообщающихся сосудах. Этими приборами можно измерять величину в пределах 10−105 Па. Они нашли своё применение в лабораторных условиях. По сути, это U-образная трубка, где находится жидкость с большим удельным весом в сравнении с той жидкостью, в которой непосредственно измеряется гидростатическое давление. Такой жидкостью чаще всего является ртуть.

В некоторых случаях следует измерить давление жидкости или газообразного вещества. Для этой цели применяется измерительный прибор, который называется манометром. Очень важным аспектом является его правильный выбор, поскольку каждая модель обладает различными техническими характеристиками. Этот фактор следует учитывать.

Оборудование с жидким заполнителем

Конструкция приборов разного типа отличается в зависимости от задач, которые перед ними ставятся. Основными деталями измерителей напора являются корпус и шкала (градуированный циферблат).

Особенность строения манометра заключается в исполнительном механизме, который преобразует энергию силы давления измеряемой среды в сигнал, отображающийся на шкале: движение ползуна, стрелки, свечение светодиода. В трубчатом металлическом манометре механизм состоит из полой дугообразной трубки, рычага, зубчатого сектора, стрелки. Измерители с заполняющей жидкостью бывают одно- и двухтрубными.

Механизм с двумя трубками

Манометры этого типа с видимым уровнем рабочей жидкости часто называют U-образными. Положение границы между воздушной и жидкой средой указывает на значение измеряемого давления. Составные части конструкции:

две вертикальные трубки с внутренним диаметром 8—10 мм из стекла, соединённые между собой гибким шлангом или изготовленные в виде единого целого;
основание металлическое, деревянное или пластмассовое;
шкала;
рабочая жидкость (спирт, вода, глицерин, трансформаторное масло, ртуть) заливается до нулевой отметки.

Первая трубка предназначена для подачи в неё измеряемого давления, а вторая сообщается с атмосферой. В случае измерения разности напоров к нагрузкам подключаются обе трубки. Двухтрубные манометры с заполнением водой используют для измерения разрежения, напора, разности давлений в системах воздухооборота в интервале ±10 кПа, а применение ртути в качестве заполнителя расширяет пределы до 0,1 МПа (1 кг/см²).

Схема однотрубного исполнения

Если кратко охарактеризовать устройство жидкостного манометра этого типа, то можно сказать, что первая трубка U-образного измерителя заменяется чашей (широким сосудом). Сюда подаётся больший напор из определяемых давлений. Измерительной является прикреплённая к шкальной пластинке вторая трубка, которая сообщается с атмосферой, а при измерении разности показателей к ней подключается меньшее из давлений. Однотрубные или чашечные жидкостные манометры от двухтрубных отличаются по следующим параметрам:

большая точность измерений;
меньшая погрешность считывания при определении давления (±1%), что обусловлено снятием показаний только с одного столба рабочей жидкости;
минимальный диапазон измерений однотрубного манометра с водяным заполнением — 1,6 кПа или 160 мм вод. столба.