Манометры для измерения давления газа: устройство водяного манометра для измерения газа в котле и другие виды манометров на газопроводе

Приборы для измерения давления могут классифицироваться по следующим характеристикам:

· виду измеряемого давления;

· принципу действия;

· назначению;

· классу точности.

По виду измеряемого давления приборы подразделяются на следующие:

· манометры;

· вакуумметры;

· мановакуумметры;

· напоромеры;

· тягомеры;

· тягонапоромеры;

· дифманометры;

· микроманометры;

· барометры.

Согласно ГОСТ 8.271-77 манометр – это измерительный прибор или измерительная установка для измерения давления  или разности давлений.

Для измерения абсолютного давления, т.е. которое считывается от абсолютного нуля выпускаются манометры абсолютного давления; избыточного – манометры избыточного давления, и наиболее часто «по умолчанию» эти разновидности приборов называют манометрами.

Большинство выпускаемых манометров применяются для измерения избыточного давления. их отличительным признаком является показание «нуля» прибора при воздействии на чувствительный элемент атмосферного давления.

Измерение давления разряженного газа производят вакуумметрами. Соответственно вакуумметр – это манометр для измерения давления разряженного газа/10/.

Манометр, имеющий возможность измерять давление разряженного газа и избыточное давление (у прибора единая шкала), называют мановакуумметрами. 

Измерение малых значений (до 40 кПа) избыточного давления производится напоромерами, хотя такое название, как и такое подразделение по виду измеряемого давления (для малых значений) за рубежом отсутствует.Тягомеры используются для измерения малого (до –40 кПа) вакуумметрическогодавления.Приборы, имеющие часть шкалы вакуумметрического, а часть избыточного давления в пределах ±20 кПа,называются тягонапоромерами. Европейские стандарты (EN837-1,  EN837-2 и EN837-3/7,9/) такое разделение производят по виду чувствительного элемента – трубчатый (Bourdontube – Rohrfedern) и мембранный – мембранная коробка – капсула (Diaphragm – Plattenfeder  или Capsule – Kapselfeder).

Приборы, предназначенные для измерения разности давлений в двух произвольных точках, именуют дифференциальными манометрами (дифманометрами). Причем это название в большей степени применимо для показывающих приборов. Устройства измерения дифференциального давления с унифицированным выходным сигналом называют измерительным преобразователем разности давлений/11/.

Дифманометр, функционально обеспечивающий измерение малых значений разности двух давлений, и имеющий верхний предел измерения не более 40 кПа (4000 кгс/м²)  называют микроманометром.

Контроль и измерение атмосферного давления производят барометрами.

В дальнейшем для упрощения изложения материала в непринципиальных моментах манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры объединены под названием манометры или манометрические приборы.

По принципу действия основную группу приборов для измерения давления можно подразделить на следующие:

· жидкостные;

· деформационные (пружинные);

· грузопоршневые;

· электрические и др.

К жидкостному относится манометр, принцип действия которого основан на уравновешивании измеряемого давления или разности давлений, давлением столба жидкости/10/.

К жидкостным относится U-образный манометр, состоящий из сообщающихся сосудов, в которых измеряемое давление определяют по одному или нескольким уровням жидкости.

В деформационном манометре от измеряемого давления зависит степень деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы.

В состав деформационных входит трубчато-пружинный манометр, в котором чувствительным элементом является трубчатая пружина; сильфонный, функционирующий на основе сильфона, мембранный – на основе мембраны или мембранной коробки.

К деформационным отнесен манометр с вялой мембраной, в котором измеряемое давление воспринимается вялой мембраной  и преобразуется в силу, уравновешиваемую дополнительным устройством.

В грузопоршневых приборах, имеющих, в большинстве случаев, в качестве рабочего тела жидкость и зачастую называемых жидкостными, измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым весом поршня с грузоприемным устройством, и грузов с учетом сил жидкостного трения.

Электрические манометры функционируют по принципу зависимости одного из электрических параметров чувствительного элемента первичного преобразователя от давления.

По назначению, установившемуся в среде производственников, манометры подразделяются на следующие:

· общепромышленные, имеющие также название технических или рабочих;

· эталонные, включающие государственный первичный, рабочие  и другие эталоны.

Общетехнические манометры предназначены для измерения давления непосредственно в ходе производственных процессов в рабочих точках промышленного оборудования.

Эталонные приборы используют для хранения и передачи размера единиц давления в целях единообразия, достоверности и обеспечения высокой точности его измерений.

В целях упорядочения отечественной метрологической терминологии и приближения ее к международной в нашей стране термин образцовое средство измерений заменен на термин рабочий эталон/6/. Рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й, 3-й), как это было принято для образцовых средств (см. гл.7).

В промышленности встречаются контрольные манометры, которые применяются для контроля правильности показаний технических манометров на месте их установки. Термин «контрольные» специфичен для промышленных условий и не имеет места в законодательной метрологии настоящего времени, но широко использовался ранее. Вместо него сейчас используют термин «манометры повышенной точности».

По защищенности от воздействия окружающей среды приборы, согласно ГОСТ 12997-84/12/, подразделяют на следующие исполнения: обыкновенное; защищенное от попадания внутрь изделия твердых тел (пыли), защищенные от попадания внутрь изделия воды; защищенные от агрессивной среды; взрывозащищенные, защищенные от других внешних воздействий.  Несколько видов защиты может сочетаться в одном изделии.

Изготавливаемые приборы должны быть устойчивыми и (или) прочными к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха в диапазонах параметров, указанных в табл.1.2.

           Таблица 1.2 

Группы исполнений технических изделий по устойчивости к температуре и влажности /12/

      Приборы должны быть устойчивыми и (или) прочными к воздействию синусоидальных вибраций высокой частоты с параметрами, по группе исполнения выбираемых из табл.1.3.

   Таблица 1.3         

Группы исполнения по устойчивости

к воздействию синусоидальных вибраций/12/

* По требованию потребителя

       ** Частота перехода –     57-62 Гц. 

 Общетехнические манометры конструктивно предусматривают устойчивость к вибрациям с частотой 10…55 Гц и амплитудой смещения до 0,15 мм. 

Система кодификации по защите приборов  от попадания внутрь изделия твердых тел (пыли), а также воды устанавливается ГОСТ 14254-96/13/. Для такой кодификации применяется обозначение  «IP».

Обозначение «IP» (InternationalProtection – Международная защита) принято Международной Электрической Комиссией (МЭК) в качестве стандарта защиты изделий (МЭК 529–89).

После обозначения «IP» является обязательным указание двух характеристических цифр.  Первая характеристическая цифра (от 0 до 6) обозначает, как показано в табл. 1.4, степень защиты от попадания внутрь твердых посторонних тел.

Таблица 1.4

Степени защиты от внешних предметов, обозначаемых первой характеристической цифрой (ГОСТ 14254–96)/13/

*Наибольший диаметр щупа-предмета не должен проходить через отверстие в оболочке. 

Вторая характеристическая цифра обозначает степень защиты, обеспечиваемую корпусом прибора в отношении вредного воздействия на работу измерителя в результате проникновения воды.

Для испытаний на соотношение второй характеристической цифре проводят  на пресной воде. Испытания на воде высокого давления или растворителях не представительны.

В табл.1.5 приведены краткое описание и определение защиты для каждой степени, представленной второй характеристической цифрой.        

Таблица 1.5

Степени защиты от воды, обозначаемых с помощью второй характеристической цифры (ГОСТ 14254–96)/13/

   Перечисленные в табл.1.4 и табл.1.5 степени защиты следует нормировать, как указывает ГОСТ 14254-96/13/, только с использованием характеристических чисел, а не с помощью краткого описания или определения.

Так, например, некоторые общетехнические показывающие манометры имеют степень защиты IP 40, что указывает на невозможность попадания в условиях эксплуатации внутрь корпуса механических частиц диаметром более 1 мм. Но корпус прибора не имеет защиты от воздействия воды.

Европейские нормы, как и ГОСТ 14254–96, базируются  на едином положении МЭК 529-89, что обеспечивает идентичность маркировки по IP как у нас в стране, так и за рубежом.

Диапазон показаний манометрических приборов должен выбираться из ряда, приведенного в табл. 1.6 (ГОСТ 2405–88/4/), и в технических условиях (ТУ) на прибор конкретного типа.

Этим ГОСТом допускается по заказу потребителя изготавливать приборы с диапазоном показаний, отличным от указанных в табл. 1.6. 

 Таблица 1.6 

Пределы измерения для 

манометрических приборов согласно ГОСТ 2405-88/4/

        По заказу потребителя допускается изготовлять манометры с верхними пределами измерений 40; 60; 100; 160;  250; 400; 600 м вод. ст. и 1,2 МПа (12 кгс/cм²).

         Таблица 1.7

Пределы измерения

манометрических приборов согласно EN 837-1, EN 837-3/7,9/

Диапазоны измерений для положительных давлений в мбар:

От 0 до 1                              от 0 до 10                                от 0 до 100

От 0 до 1,6               от 0 до 16                                от 0 до 160

От 0 до 2,5               от 0 до 25                           от 0 до 250

От 0 до 4                              от 0 до 40                             от 0 до 400

От 0 до 6                               от 0 до 60                             от 0 до 600

Диапазоны измерений для вакуумметрических давлений в мбар:

От -1 до 0                  от -10 до 0                               от -100 до 0

От -1,6 до 0              от -16 до 0                               от -160 до 0

От -2,5 до 0              от –25 до 0                       от -250 до 0

От -4 до 0                             от -40 до 0                               от -400 до 0

От -6 до 0                          от -60 до 0                                  от -600 до 0

           Диапазоны измерений для положительных давлений в бар:

от 0 до 0,6                      от 0 до 10                  от 0 до 160

от 0 до 1                         от 0 до 16                  от 0 до 250

от 0 до 1,6                      от 0 до 25                  от 0 до 400

от 0 до 2,5                           от 0 до 40                  от 0 до 600

от 0 до 4                         от 0 до 60                  от 0 до 1000

от 0 до 6                         от 0 до 100                от 0 до 1600

     Диапазоны измерений для вакуумметрических давлений в бар:

          от  -0,6 до 0                      от –1  до 0

Диапазоны измерений для положительных  и вакуумметрических  давлений в бар:

   от –1 до 0,6                                                       от –1 до 9

   от –1  до  1,5                                          от –1 до 15

   от –1 до 3                                                           от –1 до 24

   от –1 до 5 

Европейская норма EN 837-3/9/ рекомендует при использовании единицы измерения Па в соответствующем диапазоне руководствоваться следующим положением:

–          от 0 до 100…1000 Па – использовать Па;

–          от 0 до 1,6…1000 кПа – кПа;

–          от 0 до 1,6…2,5 МПа – МПа.

Рабочие диапазоны измерений избыточного давления отечественных манометрических приборов должен быть от 0 до 100 %  или от 25 до 75 % диапазона показаний.

ГОСТ 2405-88/4/ регламентирует диапазон уставок приборов с сигнализирующим устройством:

от  5 до 95% диапазона показаний – для диапазона измерений от 0 до 100%;

от 25 до 75% диапазона показаний – для диапазона измерений от 25 до 75%.

    Некоторые зарубежные производители пружинных манометров предусматривают использование манометрических приборов для пределов от 0 до 75 % диапазона показаний, и соответственно производят регулировку только на этом участке, чем обусловливается не вхождение этих приборов в класс точности на заключительном участке шкалы.

Отечественные производители обязаны обеспечивать выпуск приборов с соблюдением заявленного класса точности на всех обозначенных на циферблате прибора цифровых значениях.

Кроме того, поверку прибора отечественными метрологическими службами производят по восьми значениям давления классов точности 0,4 и 0,6 и не менее чем на пяти точках шкалы классов точности 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0. Практически такие же требования предъявляются немецким стандартом. Метрологические службы некоторых предприятий зарубежных стран, как наблюдал автор, устанавливают для общетехнических манометров поверку по трем значениям давления, что сказывается на точности измерения.

Европейские нормы /7,9/ устанавливают соответствие заявленному классу точности диапазон шкалы прибора от 10 до 100 % для измерителей, на циферблате которых установлен упор и от 0 до 100 %  для устройств с циферблатами без упора.

Для выпускаемых отечественными предприятиями манометров выбирают значения классов точности из ряда: 0,4; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0/4/.  Манометрические приборы с классами точности 0,4 и 4,0 изготавливаются по заказу потребителя.

     Согласно рекомендациям по межгосударственной стандартизации РМГ 29-99/6/, класс точности – это обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

    В большинстве случаев класс точности к принимается равным отношению абсолютной погрешности средства измерения D к нормирующему значению (верхнему пределу измерения S), выраженному в процентах: 

к = D/S× 100 %.                                                      (1.6)  

ГОСТ 2405–88/4/ регламентирует для значений класса точности соответствующие пределы основной допускаемой погрешности (см. табл. 1.8), определяемой в процентах для манометров и вакуумметров от верхнего предела измерений и для мановакуумметров в процентах от абсолютного значения всего диапазона измерений.

     Таблица 1.8

Значения принятых классов точности/4/

 * Применяется по индивидуальному заказу потребителя.

 Европейские стандарты в большинстве случаев идентичны ГОСТ. EN 837-1 и EN 837-3 /7,9/ устанавливают для манометрических приборов следующие классы точности:  0,6; 1,0; 1,6; 2,5 и 4,0.

Во всех производимых показывающих манометрических приборах диаметр корпуса должен соответствовать классу точности. ГОСТ 2405–88/4/ устанавливает для них соотношения, приведенные в табл. 1.9. Допускаются отклонения от приведенных в таблице значений, но они должны отражаться в технических условиях на прибор. Например, на одном из отечественных заводов готовятся к производству образцовые показывающие манометры с классом точности 0,4 и даже 0,25 в корпусе диаметром 160 мм, что отражается в соответствующей документации.

Таблица 1.9

Соответствие диаметра корпуса и класса точности согласно ГОСТ 2405-88/4/

 Импортные приборы, диаметр корпуса которых составляет 63 мм, могут иметь, как это показано в табл.1.7, класс точности 1,0, а манометры с диаметром корпуса 100 мм могут производиться с классом точности 0,6.

В последние годы наметилось активное сотрудничество российских метрологических служб с европейскими метрологическими комитетами. Отмечается более лояльное отношение служб надзора за метрологией на предприятиях к производству манометрических приборов на основе заявки потребителя.

 Таблица 1.10

Соответствие диаметра корпуса и класса точности согласно

EN 837-1 и EN 837-3/7,9/

 Предел основной погрешности, приведенной в табл. 1.8, наблюдается только для приборов, эксплуатируемых при температуре окружающей среды 20 или 23 °С. Конкретное значение температуры устанавливается в ТУ на прибор конкретного типа. Допустимое отклонение температуры определено следующими значениями:

±2 °С – для приборов классов точности 0,4; 0,6 и 1,0;

±5 °С – для приборов классов точности 1,5; 2,5 и 4,0.

При варьировании температуры выше относительно установленного предела изменение показаний манометрического прибора Dможет быть определено по формуле

D = ±K_t t_D,                                           (1.7) 

гдеK_t – температурный коэффициент, численные значения которого определены ГОСТ 2405-88/4/ и должны составлять значение не более 0,06 %/°С для приборов классов 0,4; 0,6; 1; 1,5 и не более 0,1%/°С для приборов классов точности 2,5 и 4,0; t_D – абсолютное значение разности температур,

 t_D = | t₂ – t₁ |.                                                          (1.8) 

Здесь t₁– требуемая температура окружающей среды

(23 ^оС);t₂ – действительное значение температуры, которое ограничено значениями от –50 до  60 °С.

Значения коэффициентов  K_t  для европейских производителей согласно EN 837-1 и EN837-3/7,9/ в зависимости от чувствительного элемента определены как:

–              0,04 %/°С для манометров на основе трубчатых элементов;

–              0,06 %/°С для измерителей давления на основе мембранного блока (capsule);

–              0,08 %/°С для манометрических приборов, функционирующих на основе мембраны.

Согласно (1.7), с учетом реальных температурных коэффициентов приборов погрешность  проводимых измерений может быть существенной. Так, при измерении давления прибором класса точности 2,5 при температуре окружающей среды –40 ^оС для соблюдения заявленного класса точности измерителя необходимо вводить дополнительно поправку 6 %. Такие поправки не принято вводить для рабочих средств измерений, но для квалифицированного проведения измерений владеть этими вопросами необходимо.

Температурный диапазон работы показывающих манометрических приборов, производимых отечественными предприятиями, определяется соответствующими ТУ на изделие и наиболее часто соответствует группе исполнения D3 и находится в пределах от –50 до 50 ^оС.

Импортные манометры, как правило, рекомендованы к эксплуатации, согласно данных /7-9/, при температурах от –20 до 60 °С.

По устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха и атмосферного давления показывающие манометрические приборы, как это отмечено выше, должны соответствовать одной из групп исполнения по ГОСТ 12997-84/12/.

Для других температурных условий производятся специальные измерители давления. Так, для условий повышенных температурных воздействий окружающей среды  некоторые фирмы выпускают показывающие манометры, которые могут эксплуатироваться при температурах до 200 °С. Однако их применение осложнено необходимостью поверки на специальном метрологическом оборудовании, когда испытания производятся одновременно как по измеряемому давлению, так и температурному внешнему воздействию.

Существенное различие манометрических измерительных приборов отечественных и зарубежных производителей заключается в размерах и типе присоединительного штуцера. На отечественных заводах изготавливают измерители с метрической присоединительной резьбой, в то время как зарубежные, как это изложено в п.2.2.2, наиболее часто применяют с дюймовые (трубные) типы присоединения (табл. 1.11). 

                              Таблица 1.11

Размеры присоединительных резьб

 Манометры и мановакуумметры отечественного производства должны выдерживать, согласно ГОСТ 2405–88/4/, кратковременное перегрузочное давление (табл. 1.12).

Таблица 1.12

Допустимые пределы перегрузки манометрических приборов

 Зарубежные манометрические приборы должны также выдерживать согласно европейских норм /7,9/ в основном такие же предельные давления. 

На циферблате показывающего или самопишущего прибора, кроме разметки шкалы, должны быть нанесены/4/:

· единицу измерений;

· знак «-» (минус) перед числом, обозначающим верхний предел измерений вакуумметрического давления;

           класс точности;

· условное обозначение рабочего положения прибора, если оно отличается от нормального;

        наименование или условное обозначение измеряемой среды – при специальном исполнении прибора.

     Кроме этого, на циферблат манометра рекомендуется наносить следующую информацию:

     · условное обозначение прибора;

     · знак Государственного реестра;

     · товарный знак предприятия-изготовителя;

Немецкий стандарт, кроме отмеченных выше особенностей, регламентирует нанесение на циферблат прибора обозначения типа измерительного элемента.

Европейскими нормами /7,9/ определено также указание на циферблате материала частей измерительного прибора, которые контактируют с измеряемой средой и изготовлены не из латуни или бронзы, а также обязывает указание на циферблате товарного знака изготовителя и/или поставщика. Кроме этого, на циферблате прибора рекомендуется наносить номер нормы или стандарта, по которому произведен прибор.

Нумерация шкалы прибора для общетехнических приборов может производиться по заказу потребителя.

Отечественный стандарт требует указания передающего давление вещества (газ или жидкость) в случаях, когда такая замена приводит к погрешностям более 1/4 предельного значения.

 Возможно нанесение ряда обозначений на корпус прибора или их указание в прилагаемом паспорте или техническом описании на измеритель, что следует согласовывать с соответствующим центром стандартизации.

В табл. 1.13 приведены дополнительные условные обозначения, разрешенные к нанесению на шкале приборов, предназначенных для измерения давления сред с определенными свойствами.

Таблица 1.13

Условные обозначения, наносимые на циферблаты

специальных приборов/4/

      В зависимости от функционального назначения приборов допускается выделять отдельные элементы шкалы ярким цветом (зеленым, желтым, красным). При этом, как правило, желтым цветом выделяют выход измеряемого параметра из нормы, а красным цветом – его аварийное состояние /4/.