Манометр

Мано́метр

(от греч. manós — редкий, неплотный и ...метр

прибор для измерений давления жидкостей и газов. Различают М. для измерений абсолютного давления, отсчитываемого от нуля (полного вакуума); М. 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 (См. Вакуумная техника)).

При измерениях давления пользуются М., у которых шкалы градуированы в различных единицах (см. Давление).

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

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

В жидкостных М. чувствительным элементом является столб жидкости, уравновешивающий измеряемое давление. Идея использовать жидкость для измерения давления принадлежит итальянскому учёному Э. Торричелли (1640). Первые ртутные М. были сделаны итальянским механиком В. Вивиани (1642) и французским учёным Б. Паскалем (См. Паскаль) (1646). Конструктивное исполнение жидкостных М. отличается большим разнообразием. Основные разновидности жидкостных М.: U-oбразные (двухтрубные), чашечные (однотрубные) и двухчашечные. Современные жидкостные М. 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 М., служащие для измерения малых избыточных давлений и разрежений менее 5 кн/м² (37,5 мм pm. ст.), называются микроманометрами. При малых пределах измерений жидкостные М. 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 (См. Концевые меры) 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.

Верхний предел измерения жидкостных М. можно повысить, увеличив высоту столба жидкости и выбрав жидкость с большей плотностью. Однако даже при заполнении М. ртутью его верхний предел измерения редко превышает 0,25 Мн/м² (~1900 мм рт. ст.), например в чашечных М., в которых широкий сосуд сообщен с вертикальной трубкой. Жидкостные М. 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 М. 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 М. составляют (0—0,13) Мн/м² (0—1000 мм pm. ст.).

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

В поршневых М. чувствительным элементом является поршень или другое тело, с помощью которого давление уравновешивается грузом или каким-либо силоизмерительным устройством. Распространение получил М. 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 М. 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 М. перед жидкостными заключается в возможности измерения ими больших давлений при сохранении высокой точности. Поршневой М. с относительно небольшими габаритами (высота ~0,5 м) превосходит по пределам измерений и точности 300-метровый ртутный М., конструкция которого была разработана французским учёным Л. Кальете (1891). М. был смонтирован на Эйфелевой башне в Париже. Верхний предел измерения поршневых М. 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 М. потребовалось бы довести его высоту до 26,5 км.

Наиболее распространены грузопоршневые М. 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 М. данного типа составляют 0,04—10 Мн/м² (0,4—100 кгс/см²). При этом погрешности наиболее точных эталонных М. 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 М. системы М. 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 М. спец. конструкций применяются также при измерении небольших избыточных давлений, разрежений, абсолютного и атмосферного давлений. Как правило, поршневые системы таких М. 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 М. роль поршня выполняет колокол, а в М. типа «кольцевых весов» — плоская перегородка внутри полого кольца.

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

В деформационных М. чувствительным элементом является упругая оболочка, которая воспринимает измеряемое давление. Деформация этой оболочки является мерой вызвавшего её давления. Деформационные М. 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 М. 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 М. при промышленных измерениях. Простейший трубчатый М. (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 М. часто применяют мембрану (См. Мембрана) или Сильфон. Кроме механического преобразования деформации чувствительного элемента в показания М., 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 М. с силовой компенсацией (по методу измерений). В этом случае М. 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 М. 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 М. 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 М. указанных выше типов связано с большими трудностями или просто невозможно. В этих случаях нашли применение М., 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 М. (см. Вакуумметрия). При измерении высоких давлений широко используют, например, манганиновые М., в которых под действием давления изменяется электрическое сопротивление тонкой манганиновой проволоки. Находят применение также М., действие которых основано на магнитострикционном эффекте (см. Магнитострикция), скорости распространения звука в среде и др. Высокой точностью отличаются М., 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 М. 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 М.

Дальнейшее совершенствование М. предполагает повышение их точности, расширение пределов измерений, обеспечение более высокой надёжности и долговечности, удобства эксплуатации. Повышению точности М. способствует использование таких материалов, как дисперсионно-твердеющие сплавы, кварц (например, для изготовления чувствительных элементов деформационных М.), 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 М. К., Техника измерения давления и разрежения, 2 изд., М., 1952; его же, Теория и расчет приборов с неуплотненным поршнем, 2 изд., М., 1966; Андрюхина О. Б., Граменицкий В. Н., Образцовые грузопоршневые приборы для измерения давления, силы и массы. [Обзор], М., 1969: Хансуваров К. И., Точные приборы для измерения абсолютного давления, М., 1971.

К. И. Хансуваров.

Рис. 2. Жидкостный чашечный микроманометр с наклонной трубкой типа ММН.

Рис. 6. Принципиальная схема бесшкального манометра абсолютного давления типа МАС-П1: 1 — сравнительный сильфон; 2 — измерительный сильфон; 3 — сопло; 4 — заслонка; 5 — сильфон обратной связи; 6 — пневмоусилитель.

Рис. 5. Трубчатый манометр ММ-40: 1 — трубка; 2 — рычаг передаточного механизма; 3 — передаточный механизм; 4 — стрелка.

Рис. 4. Грузопоршневой манометр МП-60 с простым неуплотнённым поршнем: 1 — грузы; 2 — грузоприёмная тарелка; 3 — ограничитель; 4 — воронка; 5 — поршень; 6 — цилиндр.

Рис. 3. Схема манометра абсолютного давления с ёмкостным отсчётом показаний: 1 — сосуды; 2 — металлические пластины; 3 — ртуть; 4 — стеклянные соединительные трубки; 5 — отсчётный микроскоп; 6 — шкала.

Рис. 1. Области применения манометров различных типов.