Манометр

Манометр — это прибор для измерения избыточного давления жидкостей, газов или паров, заключённых в замкнутом объёме. Манометры относятся к классу средств измерений давления и широко применяются в промышленности, энергетике, коммунальном хозяйстве, на транспорте и в научных исследованиях. В зависимости от принципа действия и конструктивных особенностей манометры позволяют контролировать давление в диапазоне от долей килопаскаля до тысяч мегапаскалей.

История

Первые попытки измерить давление воздуха предпринимались ещё в античности. В XVII веке итальянский физик Эванджелиста Торричелли создал ртутный барометр для измерения атмосферного давления (1643 год), что стало основой для развития манометрии. В 1661 году немецкий учёный Отто фон Герике продемонстрировал «магдебургские полушария», подтвердив существование давления воздуха, и сконструировал водяной манометр.

В 1849 году французский инженер Эжен Бурдон запатентовал трубчатый пружинный манометр с трубкой в виде дуги (трубка Бурдона), который стал наиболее распространённым типом промышленного манометра благодаря простоте, надёжности и точности. В XX веке с развитием электроники появились электрические и электронные манометры, позволяющие дистанционно передавать показания и интегрироваться в системы автоматизации.

Классификация

Манометры классифицируют по нескольким признакам.

По типу измеряемого давления

• Манометры избыточного давления — измеряют разность между абсолютным давлением и атмосферным. Это наиболее распространённый тип.
• Вакуумметры — измеряют разрежение (давление ниже атмосферного).
• Мановакуумметры — совмещают функции манометра и вакуумметра, позволяя измерять как избыточное, так и вакуумметрическое давление.
• Барометры — измеряют атмосферное давление.
• Дифференциальные манометры — измеряют разность давлений в двух точках системы.

По принципу действия

• Жидкостные манометры — основаны на уравновешивании измеряемого давления столбом жидкости (вода, ртуть, масло). Примеры: U-образные трубки, чашечные манометры.
• Деформационные (пружинные) манометры — используют упругую деформацию чувствительного элемента (трубка Бурдона, мембрана, сильфон). Являются самыми массовыми.
• Электрические манометры — преобразуют давление в электрический сигнал с помощью тензорезисторов, пьезоэлектрических датчиков или ёмкостных элементов. Используются в системах автоматики.
• Поршневые манометры — основаны на уравновешивании давления грузом, действующим на поршень. Применяются в качестве эталонных и поверочных приборов.
• Тепловые манометры — измеряют давление по изменению теплопроводности газа (вакуумметры Пирани, ионизационные манометры).

По точности

Манометры делятся на классы точности: от 0,15 (образцовые) до 4,0 (технические общего назначения). Класс точности указывает максимально допустимую погрешность в процентах от диапазона измерений.

Устройство и принцип работы

Деформационный манометр с трубкой Бурдона

Наиболее распространённая конструкция. Основной элемент — полая трубка, изогнутая по дуге (обычно на 270°), овального или эллиптического сечения. Один конец трубки герметично закреплён в штуцере, через который подаётся измеряемая среда. Второй конец (свободный) соединён с передаточным механизмом.

При повышении давления внутри трубки её сечение стремится к круглому, из-за чего трубка разгибается. Свободный конец перемещается, через тягу и зубчатый сектор (трибку) это движение передаётся стрелке, которая показывает давление на циферблате. Пружина-волосок устраняет люфт в механизме.

Мембранный манометр

Чувствительный элемент — гофрированная мембрана, зажатая между фланцами. Под действием давления мембрана прогибается, перемещение передаётся на стрелку. Мембранные манометры применяются для измерения малых давлений и агрессивных сред.

Электрический манометр (тензорезистивный)

В основе — мембрана с наклеенными тензорезисторами, включёнными в мостовую схему. Под давлением мембрана деформируется, сопротивление тензорезисторов изменяется, что приводит к разбалансу моста. Электрический сигнал, пропорциональный давлению, усиливается и преобразуется в цифровой или аналоговый выход.

Применение

Манометры являются обязательными элементами контроля во многих отраслях:

• Промышленность — контроль давления в трубопроводах, котлах, компрессорах, насосах, автоклавах, реакторах.
• Энергетика — измерение давления пара в турбинах, воды в системах охлаждения, топлива в горелках.
• Нефтегазовая отрасль — мониторинг давления в скважинах, на нефте- и газопроводах, на буровых установках.
• Коммунальное хозяйство — контроль давления воды в системах водоснабжения и отопления, газа в газораспределительных сетях.
• Транспорт — измерение давления в шинах, тормозных системах, гидравлике самолётов и автомобилей.
• Медицина — тонометры для измерения артериального давления (разновидность манометра).
• Научные исследования — вакуумметры в физических экспериментах, высокоточные манометры в метрологии.

Поверка и калибровка

Манометры, используемые в сферах государственного регулирования обеспечения единства измерений (промышленная безопасность, торговля, здравоохранение), подлежат обязательной периодической поверке. Поверку проводят аккредитованные метрологические службы с помощью образцовых манометров (грузопоршневых или деформационных класса 0,15–0,4). Межповерочный интервал для технических манометров обычно составляет 1–2 года.

Калибровка — процедура настройки манометра для обеспечения требуемой точности в заданном диапазоне. Проводится производителем или в сервисных центрах.

Интересные факты

• Самый высокий класс точности (0,02–0,05) имеют грузопоршневые манометры, используемые в качестве первичных эталонов давления.
• В быту наиболее распространённый манометр — тонометр для измерения артериального давления. Современные электронные тонометры используют осциллометрический метод, основанный на анализе пульсаций давления в манжете.
• В России производство манометров исторически сосредоточено на предприятиях в Москве, Санкт-Петербурге, Казани, Томске и других городах. Крупнейшие производители: ОАО «Манотомь» (Томск), ОАО «Теплоконтроль» (Казань), ОАО «Арзамасский приборостроительный завод».
• В экстремальных условиях (высокие температуры, агрессивные среды, вибрации) применяются специальные манометры с разделителями сред (мембранные разделители), заполненные инертной жидкостью.

Критика и ограничения

Основные недостатки деформационных манометров:

• Ограниченный ресурс (усталость металла трубки Бурдона, износ передаточного механизма).
• Чувствительность к вибрациям и пульсациям давления (требуются демпферы или заполнение глицерином).
• Погрешность при изменении температуры окружающей среды (требуется температурная компенсация).
• Невозможность дистанционной передачи показаний без дополнительных преобразователей.

Электрические манометры лишены многих из этих недостатков, но требуют электропитания и защиты от электромагнитных помех.

Источники

• ГОСТ 2405-88 «Манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры. Общие технические условия».
• Федеральный закон от 26.06.2008 № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений».
• Метрология и технические измерения: учебник / под ред. В. Н. Барабанова. — М.: Машиностроение, 2010.
• Справочник по промышленным контрольно-измерительным приборам / под ред. А. А. Казакова. — М.: Энергия, 1975.
• История развития манометрии: от Торричелли до наших дней // Журнал «Метрология», 2015, № 3.