Устройство и работа манометров
По принципу действия их подразделяют на жидкостные (трубные), пружинные, мембранные, сильфонные, пьезоэлектрические, поршневые, радиоактивные и проволочные (тензоманометры).
Жидкостные (трубные манометры), принцип действия которых основан на уравновешивании измеряемого давления столба жидкости, выпускают нескольких типов: U-образные, однотрубные (чашечные), кольцевые, колокольные и поплавковые. Колокольные и поплавковые манометры применяют реже других.
Рисунок 1 - U-образный манометр
U-образный манометр (рискнок , 1) наиболее простой по конструкции; состоит из U-образной стеклянной трубки, заполненной жидкостью, и прямолинейной миллиметровой шкалы. Шкала чаще всего бывает двусторонней с нулевой отметкой посередине. Нижняя часть трубки заполнена до нулевой отметки. К одному концу трубки по гибкой резиновой или пластмассовой трубке подводится давление измеряемой среды. Под действием этого давления жидкость в одном колене трубки понижается, а в другом – повышается. Разность уровней, определяемая по шкале, показывает избыточное давление измеряемой среды.
При частых изменениях давления измеряемой среды уровень жидкости в трубках колеблется, в связи с чем трудно производить точный отсчет по шкале в обеих трубках одновременно.
Рисунок 2 - Однотрубный (чашечный) манометр
В этом случае более удобен однотрубный (чашечный) манометр (рисунок , 2). Он состоит из сосуда (чаши), сечение которого во много раз больше сечения трубки. При измерении давления уровень жидкости в трубке малого сечения поднимается на большую высоту, в то время как в чаше большого сечения он опускается незначительно. Поэтому показания прибора можно отсчитывать только по изменению уровня жидкости в трубке малого сечения, пренебрегая изменением уровня в чаше.
Если к U-образному или чашечному манометру давление подводится только к одному концу трубки, то измеряется разность подведенного и атмосферного давлений. В этом случае другой конец трубки открыт и сообщается с атмосферой. Если же к обоим концам трубки или чаше и трубки подвести давление контролируемых сред, то манометр будет измерять разность этих давлений. Такие манометры называются дифференциальными.
Кольцевые приборы предназначены для измерения малых давлений, разрежений и разности давлений.
Рисунок 3 - Кольцевой манометр
Кольцевой манометр называемый кольцевыми весами (рисунок , 3), представляет собой металлическую трубку, согнутую в кольцо и установленную на призме. Нижняя половина кольца заполнена жидкостью, в верхней имеется перегородка 1. При разности давления и жидкость будет перетекать в сторону меньшего давления. Перетекание жидкости приведет к изменению центра тяжести и повороту кольца, а вместе с ним и стрелки прибора, которая по шкале покажет изменение давления. Чтобы получить шкалу прибора равномерной, предусмотрено специальное лекальное устройство. Приборами «кольцевые весы» измеряют давление, разрежение и перепад давления, в последнем случае их называют дифференциальными манометрами. Давление подводят к кольцу посредством гибких резиновых и пластмассовых трубок 4, 5, а при измерении высоких давлений применяют металлические трубки, выполненные в виде спирали.
Пружинно-мембранные приборы отличаются от описанных выше тем, что мембрана, воспринимающая давление, выполнена из гибкого материала (вяля мембрана), а давление уравновешивается цилиндрической винтовой пружиной. Гибкие мембраны обычно изготовляют из резины с тканевой основой, ткани с газонепроницаемой пропиткой или особых пластмасс. Вялые мембраны применяют в тягомерах, напоромерах, тягонапоромерах и дифманометрах. Неметаллические мембраны, как правило, снабжают жестким центром.
В качестве упругих чувствительных элементов пружинных манометров и датчиков давления ГСП используют одновитковую и многовитковую трубчатые пружины, упругую мембрану или мембранную коробку, сильфон или вялую мембрану или вялую мембрану с пружиной (см. рисунок 4).
а) - одновитковая трубчатая пружина; б) - многовитковая трубчатая пружина; в) - упругая мембрана;
г) - мембранная коробка; д) - сильфон; е) - вялая мембрана
Рисунок 4 - Упругие элементы пружинных манометров и датчиков давления ГСП
К недостаткам мембранных приборов отнятся небольшой ход подвижного центра чувтвительного элемента, значительное отклонение жесткости мембраны от расчетной и трудность регулирования жесткости мембран.
Электроконтактные манометры используют для сигнализации о достиже-нии минимального или максимального рабочего давления или для двухпозиционного регулирования. Электроконтактный манометр по принципу действия аналогичен указывающему манометру с одновитковой трубчатой пружиной. Контактный манометр может работать только при плавном (без пульсации) изменении давления.
Рисунок 5 – Пружинные манометры
В пружинном манометре с электрическим преобразователем (рисунок 5, а) давление преобразуется на манометрической пружине 10 в пропорциональное усилие F. Последнее через рычажный передаточный механизм, состоящий из рычагов 1, 2 и 8, автоматически уравновешивается усилием обратной связи, создаваемым в магнитоэлектрическом механизме 9 при взаимодействии протекающего в подвижной катушке тока с полем постоянного магнита. При изменении измеряемого давления перемещается рычажный механизм и связанный с рычагом 8 флажок 5 индикатора рассогласования 6.
Возникающий на индикаторе сигнал рассогласования усиливается электронным усилителем 7 и поступает в силовое устройство обратной связи и одновременно в линию дистанционной передачи, являясь мерой измеряемого параметра.
На заданный диапазон измерения прибор настраивают изменением передаточного отношения рычажного механизма. Для этого перемещают подвижную опору 3 вдоль рычагов 1 и 2. Передаточное отношение можно изменять в пределах 1 : 10. Нулевое значение выходного сигнала устанавливают пружинным корректором нуля 4.
В пружинном приборе с пневматической силовой компенсацией (рисунок 5, б) давление также преобразуется в усилие, которое через рычажный передаточный механизм, состоящий из рычагов 1 и 2, автоматически уравновешивается усилием, развиваемым давлением воздуха в сильфоне 13 обратной связи. При изменении измеряемого давления перемещаются рычаги рычажной системы и связанная с рычагом 1 заслонка 12 перемещается относительно сопла 11.
Рисунок 6 – Манометр с многовитковой трубчатой пружиной
Манометры с многовитковой (геликоидальной) трубчатой пружиной (рисунок 6) отличаются от одновитковых формой рабочего органа, имеющего вид цилиндрической спирали с шестью - девятью витками, свернутой из плоской трубки. Геликоидальную трубку можно рассматривать как ряд одновитковых трубок, соединенных последовательно. Вследствие этого перемещение свободного конца трубки значительно больше перемещения одновиткового манометра. Манометры с геликоидальной трубчатой пружиной применяют главным образом как самопишущие и для передачи показаний на расстояние. В них обычно используют электрические системы теплопередачи. Максимальное давление до 15,6 МПа.
На рисунок 7 приведена принципиальная схема бесшкального манометра (вакуумметра, мановакуумметра) с дифференциально – трансформаторным преобразователем давления в унифицированный выходной сигнал переменного тока.
Давление воспринимается одновитковой трубчатой пружиной 1, перемещение свободного конца которой передается сердечнику 2 дифференциально – трансформаторного преобразователя.
Рисунок 7 – Схема бесшкального манометра
В приборах с отсчетными устройствами (показывающих) свободный конец трубчатой пружины соединен секторным передаточным механизмом с показывающей стрелкой. В зависимости от верхнего предела измерения применяют трубчатые пружины различной жесткости.