Манометр

Определение "Манометр" в Большой Советской Энциклопедии

Бесшкальный манометр (схема)

Манометр (от греч. manós — редкий, неплотный и ...метр), прибор для измерений давления жидкостей и газов. Различают Манометр для измерений абсолютного давления, отсчитываемого от нуля (полного вакуума); Манометр для измерений избыточного давления, то есть разности между абсолютным и атмосферным давлением, когда абсолютное давление больше атмосферного; дифманометры для измерений разности двух давлений, каждое из которых, как правило, отличается от атмосферного. Для измерений давления, соответствующего атмосферному, применяют барометры, для измерений давления разреженных газов — вакуумметры (главным образом в вакуумной технике).
  При измерениях давления пользуются Манометр, у которых шкалы градуированы в различных единицах (см. Давление).

Грузопоршневой манометр

  Основа измерительной системы Манометр — чувствительный элемент, являющийся первичным преобразователем давления. В зависимости от принципа действия и конструкции чувствительного элемента различают Манометр жидкостные, поршневые, деформационные (пружинные). Кроме того, находят применение приборы, действие которых основано на измерении изменений физических свойств различных веществ под действием давления.

Жидкостный чашечный микроманометр

Кроме Манометр с непосредственным отсчётом показаний или их регистрацией, широко используются так называемые бесшкальные Манометр с унифицированными пневматическими или электрическими выходными сигналами, которые поступают в системы контроля, автоматического регулирования и управления различными технологическими процессами. Области применения Манометр различных типов показаны на рис. 1.

Манометр абсолютного давления (схема)

В жидкостных Манометр чувствительным элементом является столб жидкости, уравновешивающий измеряемое давление. Идея использовать жидкость для измерения давления принадлежит итальянскому учёному Э. Торричелли (1640). Первые ртутные Манометр были сделаны итальянским механиком В. Вивиани (1642) и французским учёным Б. Паскалем (1646). Конструктивное исполнение жидкостных Манометр отличается большим разнообразием. Основные разновидности жидкостных Манометр: U-oбразные (двухтрубные), чашечные (однотрубные) и двухчашечные. Современные жидкостные Манометр имеют пределы измерений от 0,1 н/м² до 0,25 Мн/м² (~ от 0,01 мм вод. cm. до 1900 мм pm. cm.) и находят применение главным образом для измерений с высокой точностью в лабораторных условиях. Жидкостные Манометр, служащие для измерения малых избыточных давлений и разрежений менее 5 кн/м² (37,5 мм pm. ст.), называются микроманометрами. При малых пределах измерений жидкостные Манометр заполняются лёгкими жидкостями (вода, спирт, толуол, силиконовые масла), а при увеличении пределов измерений — ртутью. При измерении давления чашечным микроманометром (рис. 2) заполняющая сосуд жидкость вытесняется в трубку, изменение уровня жидкости сравнивают со шкалой, отградуированной в единицах давления. Пределы измерений прибора не превышают 2 кн/м² (~200 мм вод. ст.) при наибольшем угле наклона. Для точных измерений и поверки микроманометров др. типов применяют двухчашечные микроманометры компенсационного типа, в которых один из сосудов (чашка) жестко закреплен, а второй сосуд с целью создания необходимого для уравновешивания давления столба жидкости перемещается в вертикальном направлении. Перемещение, определяемое при помощи точной шкалы с нониусом или по концевым мерам длины, непосредственно характеризует измеряемое давление. Компенсационными микроманометрами можно измерять давления до 5 кн/м² (~500 мм вод. ст.), при этом погрешность не превышает (2—5)×10^-3 н/м², или (2—5)×10^-2 мм вод. cm.

Области применения манометров

Верхний предел измерения жидкостных Манометр можно повысить, увеличив высоту столба жидкости и выбрав жидкость с большей плотностью. Однако даже при заполнении Манометр ртутью его верхний предел измерения редко превышает 0,25 Мн/м² (~1900 мм рт. ст.), например в чашечных Манометр, в которых широкий сосуд сообщен с вертикальной трубкой. Жидкостные Манометр для измерений с высокой точностью оснащают электрическими или оптическими отсчётными устройствами, а их конструктивное исполнение позволяет устранить различные источники погрешностей (влияние температуры, воздействие вибраций, капиллярные силы и т. д.). Высокую точность обеспечивает двухчашечный ртутный Манометр абсолютного давления с так называемым ёмкостным отсчётом (рис. 3), который применяется для определения температуры в эталонном газовом термометре (Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии имени Д. И. Менделеева). Пределы измерений Манометр составляют (0—0,13) Мн/м² (0—1000 мм pm. ст.).

Трубчатый манометр

  Для улучшения эксплуатационных характеристик (в основном точности показаний) в жидкостных Манометр применяют следящие системы, которые позволяют автоматически определять высоту столба жидкости.

В поршневых Манометр чувствительным элементом является поршень или другое тело, с помощью которого давление уравновешивается грузом или каким-либо силоизмерительным устройством. Распространение получил Манометр с так называемым неуплотнённым поршнем, в котором поршень притёрт к цилиндру с небольшим зазором и перемещается в нём в осевом направлении. Впервые подобный прибор был создан в 1833 русскими учёными Е. И. Парротом и Э. Х. Ленцем; широкое применение поршневые Манометр нашли во второй половине 19 века благодаря работам Е. Рухгольца (Германия) и А. Амага (Франция), которые независимо друг от друга предложили «неуплотнённый» поршень. Основное преимущество поршневых Манометр перед жидкостными заключается в возможности измерения ими больших давлений при сохранении высокой точности. Поршневой Манометр с относительно небольшими габаритами (высота ~0,5 м) превосходит по пределам измерений и точности 300-метровый ртутный Манометр, конструкция которого была разработана французским учёным Л. Кальете (1891). Манометр был смонтирован на Эйфелевой башне в Париже. Верхний предел измерения поршневых Манометр составляет около 3,5 Гн/м² (3,5×10⁸ мм вод. ст.). При этом высота измерительной установки не превышает 2,5 м. Для измерения такого давления ртутным Манометр потребовалось бы довести его высоту до 26,5 км.

Наиболее распространены грузопоршневые Манометр с простым неуплотнённым поршнем (рис. 4). Пространство под поршнем заполнено маслом, которое под давлением поступает в зазор между поршнем и цилиндром, что обеспечивает смазку трущихся поверхностей. Вращение поршня относительно цилиндра предотвращает появление контактного трения. Давление определяется весом грузов, уравновешивающих его, и площадью сечения поршня. Изменяя вес грузов и площадь сечения поршня, можно в широком диапазоне менять пределы измерений, которые для Манометр данного типа составляют 0,04—10 Мн/м² (0,4—100 кгс/см²). При этом погрешности наиболее точных эталонных Манометр не более 0,002—0,005 %. При дальнейшем повышении пределов измерений площадь поршня становится столь малой, что для грузов необходимо конструировать спец. устройства (опорные штанги, рычажные устройства). Например, для уменьшения веса грузов в Манометр системы Манометр К. Жоховского (СССР) уравновешивающее усилие создаётся при помощи гидравлического мультипликатора. В этом случае даже при измерении высоких давлений 2,5 Гн/м² (2,5×10⁴ кгс/см²) измерительная установка предельно компактна и не требует наложения большого числа грузов.

Поршневые Манометр спец. конструкций применяются также при измерении небольших избыточных давлений, разрежений, абсолютного и атмосферного давлений. Как правило, поршневые системы таких Манометр предварительно уравновешиваются специальным устройством, что позволяет понизить нижний предел измерений практически до нуля. Поршень может быть уравновешен, например, пружинным механизмом. Вращение поршня осуществляется от электродвигателя. При создании разрежения в пространстве над верхней частью поршня избыток атмосферного давления уравновешивают грузы, накладываемые на его нижнюю часть.

Кроме цилиндрических поршней, применяют сферические и конические поршни. В так называемых колокольных Манометр роль поршня выполняет колокол, а в Манометр типа «кольцевых весов» — плоская перегородка внутри полого кольца.

Поршневые Манометр применяют для градуировки и поверки Манометр других типов, при точных измерениях и контроле давления с выходом показаний на цифровой счётчик или с передачей их на расстояние.

В деформационных Манометр чувствительным элементом является упругая оболочка, которая воспринимает измеряемое давление. Деформация этой оболочки является мерой вызвавшего её давления. Деформационные Манометр в зависимости от конструкции чувствительного элемента делятся на трубчатые, мембранные и сильфонные. Принцип определения давления по упругой деформации тонкой оболочки был предложен в 1846 немецким учёным Р. Шинцем, а частный случай этого метода — определение давления по деформации полой трубчатой пружины — в 1848 французским учёным Э. Бурдоном, по имени которого трубчатая пружина часто называется трубкой Бурдона. Пределы измерений деформационных Манометр охватывают широкий диапазон давлений — от 10 н/м² до 1000 Мн/м² (1—10⁸ мм вод. ст.).

Простота принципа действия, компактность конструкции, удобство в эксплуатации обусловили применение деформационных Манометр при промышленных измерениях. Простейший трубчатый Манометр (рис. 5) имеет полую, изогнутую по дуге трубку, один конец которой присоединён к объёму, где измеряется давление, второй, запаянный конец — к рычагу передаточного механизма. При изменении давления трубка деформируется, перемещение её конца через передаточный механизм сообщается стрелке, которая показывает давление по шкале. Наряду с трубчатой пружиной в Манометр часто применяют мембрану или сильфон. Кроме механического преобразования деформации чувствительного элемента в показания Манометр, применяются также электрические или оптические методы преобразования, в том числе с передачей результатов измерений на расстояние.

В системах автоматического регулирования и контроля технологических процессов применяют деформационные Манометр с силовой компенсацией (по методу измерений). В этом случае Манометр состоит из измерительного блока и унифицированного электрического или пневматического силового преобразователя. Измеряемое давление преобразуется чувствительным элементом измерительного блока в усилие, которое уравновешивается силой, развиваемой механизмом обратной связи, а не деформацией чувствительного элемента. На выходе преобразователя механизма создаётся стандартный электрический или пневматический сигнал, пропорциональный измеряемому давлению. Данная система позволяет применять один и тот же преобразователь в Манометр для измерения абсолютного, избыточного давления и разрежения, разности давлений, а также других теплоэнергетических параметров (температуры, уровня, плотности, расхода). При этом возможно изменение пределов измерений в широком диапазоне за счёт изменения соотношений плеч рычагов преобразователя и площадей сильфонов. Измерительный блок Манометр абсолютного давления состоит из двух сильфонов (рис. 6), связанных с Т-образным рычагом преобразователя. В одном из сильфонов создано разрежение, второй сообщен с объёмом, в котором измеряется давление. Под действием давления заслонка Т-образного рычага прижимается к соплу, что приводит к увеличению давления в сильфоне обратной связи и появлению уравновешивающего усилия. Преобразователь питается сжатым воздухом от постороннего источника. Выходное давление при помощи пневмоусилителя передаётся на аппаратуру, фиксирующую результаты измерений.

При измерении очень высоких давлений (свыше 2,5 Мн/м²) или давлений, близких к нулю (менее 10 н/м²), применение Манометр указанных выше типов связано с большими трудностями или просто невозможно. В этих случаях нашли применение Манометр, принцип действия которых основан на измерении какого-либо физического параметра, связанного с давлением определенной зависимостью. При измерении малых абсолютных давлений применяют ионизационные, тепловые, вязкостные, радиометрические Манометр (см. Вакуумметрия). При измерении высоких давлений широко используют, например, манганиновые Манометр, в которых под действием давления изменяется электрическое сопротивление тонкой манганиновой проволоки. Находят применение также Манометр, действие которых основано на магнитострикционном эффекте (см. Магнитострикция), скорости распространения звука в среде и др. Высокой точностью отличаются Манометр, принцип действия которых основан на зависимости температуры плавления ртути от давления. Переход ртути из твёрдого состояния в жидкое сопровождается скачкообразным изменением объёма, что позволяет надёжно фиксировать соответствующие моменту плавления температуру и давление и обеспечивает хорошую воспроизводимость результатов. Измерительная установка с таким Манометр позволяет определять давления до 4 Гн/м² (~4×10² мм вод. ст.) с погрешностью, не превышающей 1 %, и используется в качестве эталона сверхвысокого давления (до 4 Гн/м²) при поверке и градуировке Манометр

Дальнейшее совершенствование Манометр предполагает повышение их точности, расширение пределов измерений, обеспечение более высокой надёжности и долговечности, удобства эксплуатации. Повышению точности Манометр способствует использование таких материалов, как дисперсионно-твердеющие сплавы, кварц (например, для изготовления чувствительных элементов деформационных Манометр), применение упругих опор, оптических и электрических методов снятия показаний и регистрации их. При автоматизации измерений находят применение различные средства, позволяющие передавать результаты измерений на устройства с цифровым отсчётом, записывающие и печатающие устройства, которые могут находиться на значительных расстояниях от мест измерений (например, передача результатов измерения атмосферного давления на Марсе и Венере при облёте их искусственными спутниками), и так далее.

Лит.: Жоховский Манометр К., Техника измерения давления и разрежения, 2 изд., Манометр, 1952; его же, Теория и расчет приборов с неуплотненным поршнем, 2 изд., Манометр, 1966; Андрюхина О. Б., Граменицкий В. Н., Образцовые грузопоршневые приборы для измерения давления, силы и массы. [Обзор], Манометр, 1969: Хансуваров К. И., Точные приборы для измерения абсолютного давления, Манометр, 1971.
  К. И. Хансуваров.