Как называется манометр и как он работает?

Для определения давления рабочей среды: жидкости или газа, для установки в водяную систему используют манометр.

Что такое манометр и где он применяется

Устройство осуществляет контроль рабочего давления на вводе трубопровода в здание на трубах горячего и холодного водоснабжения. Второй прибор устанавливается в системе внутреннего теплоснабжения в узле учета тепла или в ЦТП. Он также необходим для отслеживания и определения состояния системы индивидуального отопления частного дома.

Размеры манометра нормированы ГОСТ, от диаметра зависит место установки. Например, для системы отопления административного здания он должен быть не меньше 100 мм.

Термин «манометр» в основе имеет два греческих слова: «измерять» и «неплотный». Из этого понятны его назначение и основные функции — измерения в неких неплотных средах (жидкостях и газах).

Манометр — это прибор для измерения искусственно созданного давления газа или жидкости в замкнутой системе.

Не следует путать его с барометром, который тоже показывает давление, но только атмосферное. В то время как с помощью манометра можно измерить, с какой силой жидкость или газ давит на стенки герметично закрытой емкости. Условно говоря, он показывает плотность воздуха внутри закрытого пространства.

Единица измерения давления: паскаль (Па). Она отражает силу в 1 Н, которая равномерно действует на площадь 1 кв. м. Также давление иногда измеряют в барах, атмосферах, миллиметрах ртутного или водяного столба.

Для чего нужен манометр

В зависимости от модификации манометры могут использоваться в самых разных сферах:

• при накачивании автомобильных шин;
• в обслуживании систем кондиционирования и отопления;
• в гидравлических узлах для передвижения железнодорожной стрелки;
• для контроля давления в пневматических агрегатах на производстве;
• в нефтяной и газодобывающей промышленности;
• для обслуживания двигателей на морских судах и т. д.

Основное назначение манометра — проинформировать об избыточном или недостаточном давлении воды, пара, газа или иной рабочей среды. В промышленности также выделяют сигнальные приборы, которые помогают предотвратить взрывы и техногенные катастрофы из-за разрыва емкостей с опасными веществами (например, аммиаком или горячим паром).

Манометры представляют собой компактные механические устройства, измеряющие показатели давления. Разные модификации таких приборов позволяют им работать с жидкостями или газами, в том числе с паром и воздухом.

Измерение давления такими приборами необходимо в разных сферах, в том числе в водо- и газопроводах, отопительных котлах и компрессорах, автоклавах, баллонах со сжатым газом (в том числе и в пневматических винтовках). Большинство таких устройств универсально: они могут предназначаться для замеров разных показаний: избытка или разницы давлений, атмосферного давления, а также могут применяться в качестве вакуумметров.

Виды манометров

Везде, где нужно контролировать уровень давления, необходима установка таких приборов. В противном случае не избежать нарушений технологических процессов, что, в свою очередь, может спровоцировать критическую ситуацию. Выделяют 7 групп манометров в зависимости от ожидаемых условий работы.

Образцовые манометры

• Для проверки измерительного оборудования (других манометров).
• Работают с минимальной погрешностью в разных средах.
• Класс точности – от 0,05 до 0,2.

Электроконтактные

• Обеспечивают контроль и предупреждение о достижении критического уровня разрушающей нагрузки.
• Работают со встроенным механизмом управления электросетями: при достижении критических нагрузок отключают оборудование или сбрасывают давление до безопасного уровня через клапан.
• Могут применяться в жидких и газообразных средах.

Общетехнические

• Могут использоваться в незамерзающих средах.
• Отличаются хорошей устойчивостью к вибрации.
• Монтируются на транспортных и отопительных системах.
• Класс точности – 1,0-2,5.

Самопишущие

• Обеспечивают визуальный контроль состояния системы, а также фиксацию показателей.
• Записывают данные в виде диаграммы, по которой можно проследить уровень давления в динамике.
• Используются в основном на предприятиях пищевой промышленности и тепловых электростанциях.

Специальные

• Для работы со специальными газами (например, аммиаком, аргоном)
• Выпускаются в цветных корпусах, что позволяет отличить их от других устройств.
• Класс точности – от 1,0 до 2,5.

Железнодорожные

• Для механизмов, обслуживающих рельсовый электротранспорт.
• Отличаются повышенной стойкостью к вибрации.
• Постоянное механическое воздействие на корпус не приводит к искажению полученных данных.

Судовые

• Поставляются в корпусе, защищенном от внешнего воздействия и атмосферных осадков.
• Могут устанавливаться не только на судах, но и на уличных газовых распределителях.
• Подходят для жидких и газообразных сред.

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.

• 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.

Класс точности манометров

Эта характеристика обязательно указывается в техническом паспорте на прибор. Выражается класс точности в цифрах: чем ниже цифровое значение в маркировке, тем выше точность. Существует три стандартные категории:

• С большой погрешностью. Класс точности 4,0. Эти приборы обычно используются на автомобильных СТО для проверки уровня давления воздуха в шинах.
• Стандартные, в диапазоне 1,0-2,5 (нормальный класс точности для большинства моделей);

Класс точности влияет не только на погрешность измерений. От него зависит и возможность эксплуатации приборов в том или ином диапазоне. Так, мощные модели не способны уловить минимальные колебания, а сверхчувствительные весьма восприимчивы к высоким «критическим» показателям.

В ассортименте современных моделей есть устройства, способные проводить измерения в диапазоне 0,06-1000 мПа, а также модификации для измерения разрежения давления до уровня -40кПа.

Компания Измеркон , Санкт-Петербург, реализует манометры цифрового типа, с ЖК-дисплеем, на котором показывают измеренные величины. Такие устройства работают с высокой точностью, в пределах 0,5-0,025%. Среди предложений компании есть и модели с дополнительными опциями – например, во взрывозащищенном исполнении.

Задачи

Чтобы научиться решать задачи под руководством опытного преподавателя, приходите на онлайн-курсы по физике для 9 класса!

Задача 1

В канистру налит бензин и высота столба составляет 0,6 м. Плотность бензина — 710 кг/м2. Определите давление бензина на дно канистры. Ускорение g равно 9,8 H/кг.

h = 0,6 м;

ρ = 710 кг/м2.

Согласно формуле, определяющей давление жидкости на стенки сосуда:

Р = ρgh;

P = 710 × 9,8 × 0,6 = 4174,8 Па = 4,7 кПа.

Ответ: 4,7 кПа.

Задача 2

На поршень, погруженный в цилиндр с маслом, положили груз весом 3 кг. Площадь поршня составляет 2 см2, а его вес — 300 гр. Чему равна сила давления под поршнем?

Итак, у нас дано:

G1= 3 кг;

G2= 300 гр = 0,3 кг;

F = 2 см2 = 0,0002 м2;

Ответ: 161,7 кПа.

Как осуществляется поверка манометров

При проверке манометра инспектор смотрит положение стрелки: она должна быть выставлена на нерабочем приборе в ноль.

Проверяет дату выпуска, время последней и последующей поверки.

Штамп поверки может стоять на стекле циферблата с лицевой стороны. Также штамп может быть на обратной стороне корпуса и обязательно в паспорте прибора.

Зачем нужен манометр

Стрелочные приборы аксиального либо радиального типа – используются для производства постоянного мониторинга давления среды в трубопроводах отопления, ГВС и ХВС. Приборы используются в тепло- и холодоснабжении систем вентиляции и кондиционирования, в вентиляционных установках.

Например, устройство с тарированием до 16 атмосфер можно поставить как в систему отопления частного дома, так и на теплотрассу. А уже манометр со шкалой до 10 атмосфер лучше поставить в систему, где давление не будет превышать заданный предел. То есть его можно использовать только для индивидуального отопления.

В системах центрального отопления их устанавливают для контроля давления, водоснабжения, теплоносителя в трубах от поставщика к потребителю на вводе в дом, до грязевого фильтра и после. С помощью прибора определяют засорённость грязевика. В этом случае он покажет большую разницу в давлении. С его помощью можно определить причину завоздушенности в системе, достаточность теплоснабжения дома.

Другие виды манометров

Жидкостный манометр дает возможность точных измерений, но у него есть большой недостаток: конструкция боится ударов и вибраций. Поэтому сегодня такие приборы используются в основном в лабораториях. С развитием промышленности возникли другие типы манометров, которые могут измерять давление в любых условиях — на подвижных механизмах, при сильных вибрациях и т. д. По конструкции выделяют деформационные и поршневые (грузопоршневые) приборы.

Деформационные манометры

Манометр деформационного типа — это компактное механическое устройство, измеряющее давление сразу в паскалях (без перевода из других единиц). Его рабочим элементом является дугообразная или спиральная трубка Бурдона, в которую накачивается газ. Если давление внутри трубки повышается, она начинает распрямляться, и это движение через систему тяг передается на стрелку. При снятии давления она возвращается в свое первоначальное положение.

Вместо трубки может быть использована пружина, мембрана или другой чувствительный элемент, который деформируется под давлением. Принцип действия манометра остается тем же: деформация передается на стрелку, движущуюся по шкале.

Деформационные металлические манометры чаще всего используются в быту и на производстве. Они компактны, отлично переносят вибрации, не требуют строго вертикальной установки. Если нужно выбрать, к примеру, автомобильный манометр, он будет именно такого типа.

Деформационный манометр был изобретен случайно. В 1845 году швейцарский ученый Р. Шинц наблюдал, как на производстве рабочие восстанавливали сплющенную металлическую трубку, заглушив один ее конец и закачав внутрь воду. Под действием давления трубка разогнулась, а ученому пришла в голову мысль использовать такой же элемент для измерений, но работать с воздухом, а не с водой.

Поршневые манометры

Несмотря на то, что поршневые манометры были созданы раньше деформационных, они получили меньшее распространение. Сегодня такие приборы используются для исследования скважин в нефте- и газодобывающей промышленности, а также для сверки показаний в лабораториях.

На рисунке ниже можно увидеть, из чего состоит манометр поршневого типа. В самом простом варианте это емкость с маслом, соединенная при помощи штуцера с измеряемой средой. В емкость погружен цилиндр с тщательно притертым поршнем (зазор между стенками цилиндра и поршнем должен быть минимальным). На торце поршня закреплена тарель, на которую могут укладываться грузы.

Снизу на поршень действует измеряемое давление Р, сверху оно уравновешивается некой силой, создаваемой весом самого поршня и грузов G1+ G2.

Давление под поршнем рассчитывается по формуле:

, где G1— масса грузов, G2— масса поршня с тарелью, g — ускорение свободного падения, F — площадь поршня.

Также давление можно выразить через силу согласно закону Паскаля:

P = F / S, где F — сила, действующая на поршень, S — площадь поршня.

С помощью поршневых маномеров впервые измеряли давление ученые-физики Георг Паррот и Эмиль Ленц. Но широкое распространение эти приборы получили благодаря некому Рухгольцу, который запустил их в массовое производство.

Как устанавливать манометры

Установка манометра производится с помощью резьбового штуцера, расположенного внизу корпуса или сбоку. Резьба вворачивается в предназначенный для прибора трёхходовой шаровый кран или вентиль. Арматура должна обеспечить доступ к прибору для его снятия в связи с поверочными мероприятиями или для замены. Диаметр резьбы – 15 мм или полдюйма. Подсоединить манометр можно через редуктор давления.

Существует несколько правил установки, которых важно придерживаться при монтаже устройства:

• Для уплотнения места соединения используйте прокладку на штуцере прибора.
• Затяжку производите рожковым ключом.

Зачем затягивать за корпус, раз это запрещено! На устройство нельзя оказывать любое механическое воздействие.

На что в первую очередь обращает внимание инспектирующий контролер в процессе опрессовки теплосистемы дома:

• Диаметр корпуса должен соответствовать 100 мм.
• Стрелка прибора должна быть выставлена на ноль.
• Дата поверки не просрочена.

Как эксплуатировать манометры

Главное правило эксплуатации прибора заключается в том, что он не должен использоваться в среде, где технические параметры превышают допустимые паспортными характеристиками.

Второе правило, не менее важное – это необходимость проведения своевременной поверки у метрологов.

Жидкостный манометр

Этот тип манометров появился первым еще в XVII веке. Он ведет свое начало от опытов Торричелли — одного из учеников Галилео Галилея.

Итальянский ученый погружал в емкость запаянную с одного конца и наполненную ртутью трубку. Некоторое количество ртути выливалось из трубки, и в ее верхней части получался вакуум. Соответственно, при повышении атмосферного давления ртутный столбик в трубке поднимался, а при понижении — опускался.

Принцип работы жидкостного манометра в целом похож на принцип работы системы из опыта Торричелли. Этот прибор представляет собой систему сообщающихся сосудов — две трубки, соединенные в U-образную конструкцию. Система наполовину заполнена жидкостью (обычно ртутью), и если на нее действует только атмосферное давление — уровень жидкости в обеих трубках будет одинаков.

Если одну из трубок подключить к накачивающему устройству или к закрытой емкости, на жидкость в ней будет действовать измеряемое давление (Р1). В то время как на жидкость во второй трубке действует только атмосферное давление (Р2). При изменении Р1 уровень жидкости во второй трубке тоже будет меняться.

Измерив разность высоты столба Δh = h1 − h2, можно узнать, насколько изменилось давление Δp = p1 − p2.

Результат измерений, полученный в сантиметрах ртутного столба, переводят в паскали из расчета:

1 см ртутного столба (при 0°C) = 1333,22 Па.

Для получения результата сразу в паскалях можно воспользоваться формулой, которая определяет давление воды на стенки емкости:

Р = ρgh, где ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения, h — высота столба.

Ускорение свободного падения (g) равно 9,8 H/кг.

Слава изобретателя манометра принадлежит Торричелли, но на самом деле он был придуман на столетие раньше Леонардо да Винчи. Гениальный художник и ученый написал трактат по гидравлике, в котором рассказал о замере давления воды с помощью U-образной системы. Однако этот труд до широкой публики дошел только в XIX веке.

Классификация устройств подразделяется по измеряемому давлению, принципу действия, назначению, способу подключения.

Классификация по типу измеряемого давления

Главная задача манометров – измерение давления.  У них разнообразный вариативный ряд. По типам бывают:

• Манометры для контроля давления.
• Термоманометры – комбинированные приборы.
• Вакуумметры – для работы в вакуумной среде.
• Мановакуумметры – универсальные приборы, могут измерять и вакуум, и давление.
• Тягомеры или напоромеры – приборы для контроля малого вакуумметрического давления от -40 до +40 кПа.
• Барометры – измеряют атмосферное давление.
• Манометры дифференциальные – измерение разности давлений.

Классификация по принципу работы

Типология по принципу действия основывается на разнообразии измерительного элемента.  Приборы подразделяются на:

Классификация по назначению

По сфере использования разделяются на виды:

• Технические – контроль давления жидкостей, паров и газа. Применяются в системах отопления, ГВС и ХВС и т. д.
• Электроконтактные – используются в качестве управляющего органа и служат для отключения и включения насосных агрегатов, запуска котловых установок.
• Виброустойчивые – применяются в местах, где действует агрессивная рабочая среда и при наличии внешних колебаний. Например, котельные, машинные залы.
• Взрывозащищенные – все типы, но в корпусе с повышенной защитой для работы во взрывопожароопасной среде.
• Самопишущие – приборы с фиксацией действия манометра, записью уровней давления.
• Узконаправленные – для работы в определенных областях для специальных задач: для судов, нефтяных скважин, поездов, аммиачные (для работы в агрессивной среде), для сверхвысоких давлений.