В этой статье мы попытаемся подробно рассмотреть все вопросы связанные с манометрами, их выбором и их эксплуатацией. Так же вместе с манометрами мы будем рассматривать вакуумметры и мановакуумметры. Все рекомендации для этих приборов одинаковые, поэтому по тексту мы будем упоминать только манометры.

1. Что такое манометр, вакуумметр и мановакуумметр?
2. Какие бывают манометры?
3. Какие параметры важны при выборе манометра?
4. Перевод единиц давления манометров.
5. Как устанавливать манометры?
6. Как эксплуатировать манометры?
7. Как осуществляется поверка манометров?
8. Какой манометр лучше купить?
9. На что важно обратить внимание при покупке манометра?

1. Что такое манометр, вакуумметр и мановакуумметр?

Манометр технический.

Манометр - это прибор, предназначенный для измерения избыточного давления рабочей среды посредством деформации трубчатой пружины (трубка Бурдона).

Вакуумметр технический.

Вакуумметр - это прибор, предназначенный для измерения разряжения рабочей среды посредством деформации трубчатой пружины. Стандартная шкала для вакуумметра от -1..0 атм. Шкала на вакуумметре всегда отрицательная, т. к. происходит измерение давления ниже атмосферного.

Мановакуумметр технический.

Мановакуумметр - это прибор, предназначенный для измерения избыточного давления и разряжения рабочей среды посредством деформации трубчатой пружины.

Вышесказанное по простому:
- если на шкале прибора только положительное давление, то это манометр.
- если на шкале прибора только отрицательное давление, то это вакуумметр.
- если на шкале прибора есть и отрицательное и положительное давления, то это мановакуумметр.

В промышленности и сфере ЖКХ наибольшее распространение находят манометры с трубчатой пружиной Бурдона. Это связано с простотой конструкции и относительно невысокой стоимостью.

Манометр "изнутри" .

2. Какие бывают манометры?

Технические манометры - самые распространенные приборы для измерения давления воды, воздуха, газов, которые нашли широкое применение в сфере ЖКХ и промышленности. Если у Вас нет никаких специфических требований к прибору - то однозначно следует рассматривать технические манометры.

Технический манометр ТМ610Р.

Котловые манометры - это технические манометры с диаметром корпуса 250мм. Эти манометры применяются при установке на большой высоте или в труднодоступных местах, что позволяет снимать показания прибора с большого расстояния.

Котловой манометр ТМ810Р.

Виброустойчивые манометры - приборы для измерения давления в условиях повышенной вибрации на трубопроводе или установке. Эти приборы массово применяются на насосных станциях, компрессорах, автомобилях, судах и поездах.

Виброустойчивый манометр ТМ-320Р.

Коррозионностойкие манометры - приборы изготовленные полностью из нержавеющей стали и предназначенные для работы с агрессивными средами.

Коррозионостойкий манометр ТМ621Р.

Сварочные манометры - приборы предназначенные для контроля давления на кислородных и ацетиленовых редукторах, пропановых баллонах Сварочные манометры бывают кислородные (цвет корпуса синий), ацетиленовые (цвет корпуса белый или серый) и пропановые (цвет корпуса красный). На циферблате каждого прибора в кружочке стоит тип среды.

Манометры точных измерений (образцовые манометры)- приборы с низким классом точности 0.6 или 0.4 применяются для опрессовки газопроводов, поверки технических манометров, а так же для измерения давления технологических линий, требующих повышенной точности измерения.

Образцовый манометр.

Манометры аммиачные- приборы для измерения давления в системах хладоснабжения. Эти приборы изготавливаются на базе коррозионностойких манометров с измененным циферблатом.

Аммиачный мановакуумметр.

Манометры автомобильные - приборы для измерения давления воздуха в шинах. Эти приборы можно купить в автомобильных магазинах или сервисных центрах.

Цифровые электронные манометры- бывают двух разновидностей: в моноблочном корпусе и комплект из преобразователя давления и электронного блока для индикации и регулирования параметров. Эти приборы применяются для точного измерения давления и в системах автоматизации технологических процессов.

Манометры электроконтактные- это технические манометры с электроконтактной приставкой предназначенные для коммутации контактов в системах автоматизации.

Принципиальным отличием этих приборов от всего многообразия манометров является наличие параметра исполнение манометра. На сегодняшний день эти приборы выпускаются в шести исполнениях.

3. Какие параметры важны при выборе манометра?

В этом разделе мы рассмотрим все параметры, которые необходимо учитывать при покупке манометра. Это очень полезная информация для покупателей, у которых нет точной марки прибора или есть марка, но данные приборы нет возможности купить и нужно корректно подобрать аналоги.

Диапазон измерения- это самый важный параметр.
Стандартный ряд давлений для манометров:
0-1, 0-1.6, 0-2.5, 0-4, 0-6, 0-10, 0-16, 0-25, 0-40, 0-60, 0-100, 0-160, 0-250, 0-400, 0-600, 0-1000 кгс/см2=бар=атм=0.1Мпа=100кПа

Стандартный ряд давлений для мановакуумметров:
-1..+0.6, -1..+1.5, -1..+3, -1..+5, -1..+9, -1..+15, -1..+24 кгс/см2=бар=атм=0.1Мпа=100кПа

Стандартный ряд давлений вакуумметров:
-1..0 кгс/см2=бар=атм=0.1Мпа=100кПа.

Если Вы не знаете, какую шкалу купить, то выбор диапазона происходит довольно просто, главное чтобы рабочее давление попадало в диапазон от 1/3 до 2/3 шкалы измерения. Например у Вас в трубе обычно давление воды 5.5 атм. Для стабильной работы нужно выбирать прибор со шкалой 0-10 атм, т.к давление 5.5атм попадает в диапазон от 1/3 до 2/3 шкалы 3.3 атм и 6.6 атм соответственно. Многие задаются вопросом - что случится если рабочее давление будет менее 1/3 шкалы или больше 2/3 шкалы измерения? Если измеряемое давление меньше 1/3 шкалы то резко возрастет погрешность измерения давления. Если измеряемое давление больше 2/3 шкалы то механизм прибора будет работать в режиме перегрузки и может выйти из строя раньше гарантийного срока.

Класс точности- это допустимый процент погрешности измерения от шкалы измерения.
Стандартный ряд классов точности для манометров: 4, 2.5, 1.5, 1, 0.6, 0.4, 0.25, 0.15.
Как самому рассчитать погрешность манометра? Допустим у Вас манометр на 10 атм классом точности 1.5.
Это значит, что допустимая погрешность манометра 1.5% от шкалы измерения, т. е. 0.15 атм. Если погрешность прибора больше - то прибор необходимо менять. Понять без специального оборудования исправный прибор или нет по нашему опыту нереально.
Принять решение о несоответствии класса точности может только организация, у которой есть поверочная установка с эталонным манометром с классом точности в четыре раза меньше, чем класс точности проблемного манометра. Два прибора устанавливаются на линию с давлением и сравниваются два показания.

Диаметр манометра- это важный параметр для манометров в круглом корпусе. Стандартный ряд диаметров для манометров: 40, 50, 63, 80, 100, 150, 160, 250 мм.

Расположение штуцера- существует две разновидности: радиальное у которого штуцер выходит из манометра снизу и торцевое (тыльное, аксиальное) у которого присоединительный штуцер находится сзади с тыльной части прибора.

Присоединительная резьба- наибольшее распространения на манометрах нашли две резьбы: метрическая и трубная. Стандартный ряд резьб для манометров: М10х1, М12х1.5, М20х1.5, G1/8,G1/4, G1/2. Практически на всех импортных манометрах применяется трубная резьба. Метрическая резьба используется в основном на отечественных приборах.

Межповерочный интервал- это срок когда необходимо делать переповерку прибора. Все новые приборы идут с первичной заводской поверкой, которая подтверждается наличием клейма поверителя на циферблате прибора и соответствующей отметкой в паспорте. На данный момент первичная поверка бывает на 1 год или на 2 года. Если манометр используется в личных целях и поверка не критична, то выбирайте любой прибор. Если манометр устанавливается на ведомственном объекте (тепловой пункт, котельная, завод и т. д.), то после окончания срока первичной поверки необходимо переповерять манометр в ЦСМ (центр стандартизации и метрологии) своего города или в любой организации, у которой есть лицензия на поверку и необходимое оборудование. Для тех кто постоянно сталкивается с поверкой манометров не секрет, что очень часто переповерка стоит дороже или сопоставимо со стоимостью нового прибора, а так же сдача прибора в поверку стоит денег даже если прибор повторную поверку не пройдет и к цене может добавиться ремонт прибора с последующей поверкой.
Исходя из этого у нас есть две рекоменации:
- покупайте приборы с первичной поверкой на 2 года, т.к. экономия 50-100 рублей на покупке прибора со сроком поверки 1 год может уже через год привести к расходам в 200-300 руб и к ненужной «беготне».
- перед тем как принять решение о переповерке приборов прокалькулируйте расходы на переповерку - в большинстве случаев намного выгодней купить новые приборы. Что нужно посчитать - стоимость поверки, несколько поездок к поверителю. Если в системе есть гидравлические удары, пульсация среды (близкое расположение насосов), вибрация трубопровода то после 2 лет эксплуатации обычно 50% приборов переповерку не проходят, а за нее платить надо, т. к. поверочные работы проводились.

Условия эксплуатации- если прибор будет работать на вязкой или агрессивной среде, а так же при использовании прибора в сложных условиях - вибрация, пульсация, большие (более +100С) и малые температуры (менее -40С) то необходимо выбирать специализированный манометр.

4. Перевод единиц давления манометров.

При покупке манометра часто возникает необходимость измерения давления в нестандартных единицах измерения. Наш опыт работы говорит, что если речь малом количестве приборов (менее 100 шт), то заводы ничего переделывать на своих шкалах не будут и прийдется переводить единицы измерения самостоятельно.

1кгс/см2=10.000кгс/м2=1бар=1атм=0.1Мпа=100кПа=100.000Па=10.000мм.вод.ст.=750мм. рт. ст.= 1000мБар

5. Как устанавливать манометры?

Для установки манометра на трубу применяются трехходовые краны и игольчатые вентили. Для защиты манометров используются демпферные блоки, петлевые отборные устройства и мембранные разделители.

Трехходовой кран под манометр- это трехходовой шаровой или пробковый кран предназначенный для подключения манометра к трубопроводу или любому другому оборудованию. Допускается установка двухходового крана с возможностью ручного сброса давления с манометра при отключении. Использование стандартных шаровых кранов не рекомендуется, т. к. после закрытия крана механизм манометра находится под остаточным давлением среды, что может привести к преждевременному выходу его из стоя. На сегодняшний день это наиболее распространенный вид для присоединения манометров при давлениях до 25 кгс/см2. При больших давлениях рекомендуется установка игольчатых вентилей. При покупке трехходового крана необходимо убедиться, что резьба на манометре совпадает с резьбой на кране.

Игольчатый вентиль- это регулирующий вентиль гс возможностью плавной подачи рабочей среды у которого запорный элемент выполнен в виде конуса. Игольчатые вентиля нашли широкое применение для подключения различных приборов КИПиА к оборудованию с большими давлениями. При покупке игольчатых вентилей необходимо убедиться, что резьба на манометре совпадает с резьбой на клапане.

Демпферный блок- это защитное устройство, которое устанавливается перед манометром и предназначенное для гашения пульсаций рабочей среды. Под пульсацией в данном случае подразумевается резкое и частое изменения давления рабочей среды. Основными «организаторами» пульсаций в трубопроводе являются мощные насосы без устройств плавного пуска и повсеместная установка шаровых кранов и дисковых затворов, быстрое открытие которых приводит к гидравлическим ударам.

Демпферный блок.

Петлевые отборные устройства (трубка Перкинса)- это стальные трубки, которые предназначены для гашения температуры перед манометрами. Уменьшение температуры среды, приходящей в манометр происходит за счет «застоя» среды в петле. Данные устройства рекомендуется устанавливать при температуре рабочей среды более 80С. Существует два вида отборных устройств: прямые и угловые. Прямые отборные устройства устанавливаются на горизонтальных участках трубопроводов, а угловые предназначены для установка на вертикальных трубопроводах. Перед покупкой необходимо убедиться, что резьба на трубке совпадает с резьбой на трехходовом кране или манометре.

Отборные устройства (прямое и угловое).

Разделители сред мембранные- это защитное устройство для манометра, предназначенное для предохранения механизма прибора от попадания в нее агрессивных, кристаллизующихся и абразивных сред. При выборе мембранного разделителя необходимо обратить внимание на совпадение резьбы на манометре и разделителе.

Разделитель мембранный РМ.

При установке манометров есть несколько требований, обязательных к выполнению:
- монтажные работы с манометром необходимо производить при отсутствие давления в трубопроводе
- манометр устанавливается с вертикальным расположением циферблата
- вращение манометра производится за штуцер при помощи гаечного ключа
- прикладывать усилие к корпусу манометра запрещается

6. Как эксплуатировать манометры?

При эксплуатации манометров необходимо соблюдать рекомендации и физические параметры (температура среды и допустимое давление), прописанные в паспорте прибора. Самым важным требованием к эксплуатации является плавная подача давления на манометр. Если прибор подобран правильно и эксплуатируется без нарушений, то проблем обычно не бывает.
Рассмотрим случаи, при которых не допускается эксплуатация манометра:
- при подаче давления на прибор стрелка не двигается
- приборное стекло повреждено или разбито
- стрелка прибора движется скачками
- после сброса давления с прибора стрелка не возвращается к нулевой отметке
- погрешность измерения превышает допустимое значение

7. Как осуществляется поверка манометров?

Манометр является средством измерения давления и подлежит обязательной поверке. Поверку манометров можно условно разделить на два вида:
- первичная поверка - это поверка, которая производится заводом изготовителем перед продажей прибора и подтверждается наличием клейма поверителя на стекле или корпусе манометра, а так же соответствующей отметкой в паспорте прибора. Первичная поверка без каких-либо проблем признается контролирующими организациями и прибор можно эксплуатировать до окончания этого срока.

Переповерка манометра - это поверка прибора, которая производится после окончания срока первичной поверки манометра. Перед переповеркой манометра необходимо убедиться что прибор исправен т. к. в случае неисправности прибора Вы за деньги, сопоставимые со стоимостью прибора, получите красивое уведомление о том, что прибор не исправен и его нужно ремонтировать или выбрасывать. Переповерка манометра производится в ЦСМ (центр стандартизации и метрологии) своего города или в любой организации, у которой есть лицензия на поверку и необходимое оборудование.

8. Какой манометр лучше купить?

На сегодняшний день на рынке представлены около 10 российских производителей приборов, 2 белорусских производителя и несметное количество иностранных производителей приборов. Рассмотрим особенности каждых приборов.

Российские заводы - наиболее оптимальный выбор для покупки манометров. Многие спросят - почему? Все довольно просто - российские манометры существенно дешевле импортных при сопоставимом качестве, срок первичной поверки 2 года в отличие от белорусских, выпускается вся линейка приборов от технических до коррозионностойких.

Белорусские заводы - довольно дешевые приборы, но у них есть 3 существенных недостатка:
- первичная поверка на 1 год, что превращает их дешевизну в «миф» и «беготню» с перепроверкой.
- упрощенный механизм, который при серьезных нагрузках долго не работает.
- пластиковое стекло вместо приборного так же вносит сложности в эксплуатации и надежности прибора.

Иностранные манометры - наш многолетний опыт торговли приборами показывает, что смысл в покупке аналогичен приобретению российского прибора, но только 2-3 раза дороже нет. Все объяснения продавцов иностранных приборах об уникальном качестве, супер технологиях и т. п. являются обычной уловкой для объяснения клиенту, почему он так круто переплачивает. Если условия эксплуатации сложные, просто нужно покупать специализированный прибор вместо технического и он будет без проблем работать. Если Вас терзают сомнения и у Вас есть возможность с помощью отвертки разобрать два аналогичных манометра российский и импортный - то Вам вряд ли повезет найти несколько отличий.

Исключение составляют узкоспециализированные приборы с нестандартными шкалами и параметрами, которые в России не производятся.

9. На что важно обратить внимание при покупке манометра?

- манометр должен быть новый. Многие продавцы приборов под словом новый понимают, что манометр не был в эксплуатации. Но манометру может быть 15 лет, а Вам будут рассказывать что он новый. Уточняйте год выпуска прибора или Вас может ждать неприятный сюрприз в виде покупки неликвида.
- на манометре или в паспорте должна быть отметка о первичной поверке. Есть продавцы неликвидов, которые затирают клеймо поверителя, чтобы нельзя их было обвинить в продаже старых приборов.
- поверка на манометр должна быть 2 года, если Вы купите прибор с первичной поверкой на 1 год - уже через год экономия улетучится и начнутся не нужные сложности.
- на манометр должен быть паспорт и действующий сертификат на средства измерения.
- если прибор новый и поверка на 2 года выбирайте самый дешевый вариант.
- обратите внимание на диапазон измерения, диаметр шкалы, тип расположения штуцера, тип резьбы и исполнение прибора - если Вы купите не тот прибор, то замена его может быть сопряжена со сложностями, т. к. если прибор имеет нестандартные параметры и изготовлен под Вас, то скорее всего его придётся оставлять себе на память.
- отзывы о манометрах в интернете можно поискать, но большая часть из них носят заказной характер и лучше опираться на советы людей, имеющих опыт реальной эксплуатации приборов.
- манометры стоит покупать в организации, которая вызывает у Вас доверие, т. к. продажа неликвидов времен СССР до сих пор существует и потом старые приборы будет довольно сложно возвращать или обменивать на нормальные приборы.

В этой статье мы постарались рассмотреть самые популярные вопросы о всем разнообразии манометров. Если Вы хотите, чтобы бы рассмотрены другие вопросы или с какими то ответами Вы не согласны - напишите нам и мы постараемся расширить статью исходя из Вашего опыта. В письме не забудьте указать Ваши данные, место, условия и регион установки.

Уважаемые читатели!

Если у Вас появились дельные замечания по данной статье - просим написать на с указанием темы данной статьи.
Если Вам понравилась данная статья, просим подписаться на наш канал.

Глава 2. ЖИДКОСТНЫЕ МАНОМЕТРЫ

Вопросы водоснабжения для человечества всегда были очень важными, а особую актуальность приобрели с развитием городов и появлением в них различного вида производств. При этом все более актуальной становилась проблема измерения давления воды, т. е. напора, необходимого не только для обеспечения подачи воды через систему водоснабжения, но и для приведения в действие различных механизмов. Честь первооткрывателя принадлежит крупнейшему итальянскому художнику и ученому Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения давления воды в трубопроводах. К сожалению, его труд „О движении и измерении воды” был опубликован лишь в XIX веке. Поэтому принято считать, что впервые жидкостный манометр был создан в 1643 г. итальянскими учеными Торричелли и Вивиаии, учениками Галилео Галилея, которые при исследовании свойств ртути, помещенной в трубку обнаружили существование атмосферного давления. Так появился ртутный барометр. В течение последующих 10-15 лет во Франции (Б. Паскаль и Р. Декарт) и Германии (О. Герике) были созданы различные разновидности жидкостных барометров, в том числе и с водяным заполнением. В 1652 г. О. Герике продемонстрировал весомость атмосферы эффектным опытом с откачанными полушариями, которые не могли разъединить две упряжки лошадей (знаменитые „магдебургские полушария”).

Дальнейшее развитие науки и техники привело к появлению большого количества жидкостных манометров различных типов, применяемы;: до настоящего времени во многих отраслях: метеорологии, авиационной и электровакуумной технике, геодезии и геологоразведке, физике и метрологии и пр. Однако, в силу ряда специфических особенностей принципа действия жидкостных манометров их удельный вес по сравнению с манометрами других типов относительно невелик и, вероятно, будет уменьшаться и в дальнейшем. Тем не менее при измерениях особо высокой точности в области давлений, близких к атмосферному давлению, они пока незаменимы. Не потеряли своего значения жидкостные манометры и в ряде других областей (микроманометрии, барометрии, метеорологии, при физико-технических исследованиях).

2.1. Основные типы жидкостных манометров и принципы их действия

Принцип действия жидкостных манометров можно проиллюстрировать на примере U-образного жидкостного манометра (рис. 4, а ), состоящего из двух соединенных между собой вертикальных трубок 1 и 2,

наполовину заполненных жидкостью. В соответствии с законами гидростатики при равенстве давлений р i и р 2 свободные поверхности жидкости (мениски) в обеих трубках установятся на уровне I-I. Если одно из давлений превышает другое (р\ > р 2), то разность давлений вызовет опускание уровня жидкости в трубке 1 и, соответственно, подъем в трубке 2, вплоть до достижения состояния равновесия. При этом на уровне

II-П уравнение равновесия примет вид

Ap=pi -р 2 =Н Р " g, (2.1)

т. е. разность давлений определяется давлением столба жидкости высотой Н с плотностью р.

Уравнение (1.6) с точки зрения измерения давления является фундаментальным, так как давление, в конечном итоге, определяется основными физическими величинами - массой, длиной и временем. Это уравнение справедливо для всех без исключения типов жидкостных манометров. Отсюда следует определение, что жидкостный манометр - манометр, в котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, образующегося под действием этого давления. Важно подчеркнуть, что мерой давления в жидкостных манометрах является

высота стол а жидкости, менно это обстоятельство привело к появлению единиц измерений давления мм вод. ст., мм рт. ст. и других которые естественным образом вытекают из принципа действия жидкостных манометров.

Чашечный жидкостный манометр (рис. 4, б) состоит из соединенных между собой чашки 1 и вертикальной трубки 2, причем площадь поперечного сечения чашки существенно больше, чем трубки. Поэтому под воздействием разности давлений Ар изменение уровня жидкости в чашке гораздо меньше, чем подъем уровня жидкости в трубке: Н\ = Н г f/F, где Н ! - изменение уровня жидкости в чашке; Н 2 - изменение уровня жидкости в трубке; / - площадь сечения трубки; F - площадь сечения чашки.

Отсюда высота столба жидкости, уравновешивающей измеряемое давление Н - Н х + Н 2 = # 2 (1 + f/F), а измеряемая разность давлений

Pi - Рг = Н 2 р ?-(1 + f/F ). (2.2)

Поэтому при известном коэффициенте к= 1 + f/F разность давлений может быть определена по изменению уровня жидкости в одной трубке, что упрощает процесс измерений.

Двухчашечный манометр (рис. 4, в) состоит из двух соединенных при помощи гибкого шланга чашек 1 и 2, одна из которых жестко закреплена, а вторая может перемещаться в вертикальном направлении. При равенстве давлений Р\ и р 2 чашки, а следовательно, свободные поверхности жидкости находятся на одном уровне I-I. Если Р\ > р 2 , то чашка 2 поднимается вплоть до достижения равновесия в соответствии с уравнением (2.1).

Единство принципа действия жидкостных манометров всех типов обусловливает их универсальность с точки зрения возможности измерения давления любого вида - абсолютного и избыточного и разности давлений.

Абсолютное давление будет измерено, если р 2 = 0, т. е. когда пространство над уровнем жидкости в трубке 2 откачано. Тогда столб жидкости в манометре будет уравновешивать абсолютное давление в трубке

i,T.e.p a6c =tf р g.

При измерении избыточного давления одна из трубок сообщается с атмосферным давлением, например, р 2 = р тш. Если при этом абсолютное давление в трубке 1 больше чем атмосферное давление (р i >р аТ м)> то в соответствии с (1.6) столб жидкости в трубке 2 уравновесит избыточное давление в трубке 1 } т. е. р и = Н р g: Если, наоборот, р х < р атм, то столб жидкости в трубке 1 будет мерой отрицательного избыточного давления р и = -Н р g.

При измерении разности двух давлений, каждое из которых не равно атмосферному давлению, уравнение измерений имеет вид Ар=р\ - р 2 - = Н - р " g. Так же, как и в предыдущем случае, разность может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

К важной метрологической характеристике средств измерения давления относится чувствительность измерительной системы, которая во многом определяет точность отсчета при измерениях и инерционность. Для манометрических приборов под чувствительностью понимается отношение изменения показаний прибора к вызвавшему его изменению давления (и = АН/Ар) . В общем случае, когда чувствительность непостоянна в диапазоне измерений

п = lim при Ар -*¦ 0, (2.3)

где АН - изменение показаний жидкостного манометра; Ар - соответствующее изменение давления.

Принимая во внимание уравнения измерений, получим: чувствительность U- образного или двухчашечного манометра (см. рис. 4, а и 4, в)

п = (2A ’ a ~>

чувствительность чашечного манометра (см. рис. 4, б)

Р-гй\llF) ¦ (2 " 4 ’ 6)

Как правило, для чащечных манометров F »/, поэтому уменьшение их чувствительности по сравнению с U- образными манометрами незначительно.

Из уравнений (2.4, а ) и (2.4, б) следует, что чувствительность целиком определяется плотностью жидкости р, заполняющей измерительную систему прибора. Но, с другой стороны, значение плотности жидкости согласно (1.6) определяет диапазон измерений манометра: чем она больше, тем больше верхний предел измерений. Таким образом, относительное значение погрешности отсчета от значения плотности не зависит. Поэтому для увеличения чувствительности, а следовательно, и точности, разработано большое количество отсчетных устройств, основанных на различных принципах действия, начиная от фиксации положения уровня жидкости относительно шкалы манометра на глаз (погрешность отсчета около 1 мм) и кончая применением точнейших интерференционных методов (погрешность отсчета 0,1-0,2 мкм). С некоторыми из этих методов можно познакомиться ниже.

Диапазоны измерений жидкостных манометров в соответствии с (1.6) определяются высотой столба жидкости, т. е. размерами манометра и плотностью жидкости. Наиболее тяжелой жидкостью в настоящее время является ртуть, плотность--которой р = 1,35951 10 4 кг/м 3 . Столб ртути высотой 1 м развивает давление около 136 кПа, т. е. давление, не на много превышающее атмосферное давление. Поэтому при измерении давлений порядка 1 МПа размеры манометра по высоте соизмеримы с высотой трехэтажного дома, что представляет существенные эксплуатационные неудобства, не говоря о чрезмерной громоздкости конструкции. Тем не менее, попытки создания сверхвысоких ртутных манометров предпринимались. Мировой рекорд был установлен в Париже, где на базе конструкций знаменитой Эйфелевой башни был смонтирован манометр высотой ртутного столба около 250 м, что соответствует 34 МПа. В настоящее время этот манометр разобран в связи с его бесперспективностью. Однако в строю действующих продолжает оставаться уникальный по своим метрологическим характеристикам ртутный манометр Физико-технического института ФРГ. Этот манометр, смонтированный в iO-этажной башне, имеет верхний предел измерений 10 МПа с погрешностью менее 0,005 %. Подавляющее большинство ртутных манометров имеют верхние пределы порядка 120 кПа и лишь изредка до 350 кПа. При измерении относительно небольших давлений (до 10-20 кПа) измерительная система жидкостных манометров заполняется водой, спиртом и другими легкими жидкостями. При этом диапазоны измерений обычно составляют до 1-2,5 кПа (микроманометры). Для еще более низких давлений разработаны способы увеличения чувствительности без применения сложных отсчетных устройств.

Микроманометр (рис. 5), состоит из чашки I, которая соединена с трубкой 2, установленной под углом а к горизонтальному уровню

I-I. Если при равенстве давлений pi и р 2 поверхности жидкости в чашке и трубке находились на уровне I-I, то увеличение давления в чашке (Р 1 > Рг) вызовет опускание уровня жидкости в чашке и ее подъем в трубке. При этом высота столба жидкости Н 2 и его длина по оси трубки L 2 будут связаны соотношением Н 2 =L 2 sin а.

Учитывая уравнение неразрывности жидкости Н, F = Ь 2 /, нетрудно получить уравнение измерений микроманометра

p t -р 2 =Н р "g = L 2 р ч (sina + -), (2.5)

где Ь 2 - перемещение уровня жидкости в трубке вдоль ее оси; а - угол наклона трубки к горизонтали; остальные обозначения прежние.

Из уравнения (2.5) следует, что при sin а « 1 и f/F « 1 перемещение уровня жидкости в трубке во много раз превысит высоту столба жидкости, необходимую для уравновешивания измеряемого давления.

Чувствительность микроманометра с наклонной трубкой в соответствии с (2.5)

Как видно из (2.6), максимальная чувствительность микроманометра при горизонтальном расположении трубки (а = О)

т. е. в отношении площадей чашки и трубки больше, чем у U- образного манометра.

Второй способ увеличения чувствительности состоит в уравновешивании давления столбом двух несмешивающихся жидкостей. Двухчашечный манометр (рис. 6) заполняется жидкостями так, чтобы граница их

Рис. 6. Двухчашечный микроманометр с двумя жидкостями (р, > р 2)

раздела находилась в пределах вертикального участка трубки, примыкающей к чашке 2. При pi = р 2 давление на уровне I-I

Hi Pi -Н 2 Р 2 (Pi >Р2)

Тогда при повышении давления в чашке 1 уравнение равновесия будет иметь вид

Ap=pt -р 2 =Д#[(Р1 -р 2) +f/F(Pi + Рг)] g, (2.7)

где рх - плотность жидкости в чашке 7; р 2 - плотность жидкости в чашке 2.

Кажущаяся плотность столба двух жидкостей

Рк = (Pi - Р2) + f/F (Pi + Рг) (2.8)

Если плотности Pi и р 2 имеют близкие друг другу значения, a f/F«. 1, то кажущаяся или эффективная плотность может быть снижена до величины p min = f/F (рi + р 2) = 2р х f/F.

ьр р к * %

где р к - кажущаяся плотность в соответствии с (2.8).

Так же, как и ранее, увеличение чувствительности указанными способами автоматически уменьшает диапазоны измерений жидкостного манометра, что ограничивает их применение областью микроманометр™. Учитывая также большую чувствительность рассматриваемых способов к влиянию температуры при точных измерениях, как правило, находят применение способы, основанные на точных измерениях высоты столба жидкости, хотя это и усложняет конструкции жидкостных манометров.

2.2. Поправки к показаниям и погрешности жидкостных манометров

В уравнения измерений жидкостных манометров в зависимости от их точности необходимо вводить поправки, учитывающие отклонения условий эксплуатации от условий градуировки, вид измеряемого давления и особенности принципиальной схемы конкретных манометров.

Условия эксплуатации определяются температурой и ускорением свободного падения в месте измерений. Под влиянием температуры изменяются как плотность жидкости, применяемой при уравновешивании давления, так и длина шкалы. Ускорение свободного падения в месте измерений, как правило, не соответствует его нормальному значению, принятому при градуировке. Поэтому давление

Р=Рп Две нити накаливания

Одна проволочная катушка используется в качестве нагревателя, другая же используется для измерения температуры через конвекцию.

Манометр Пирани (oдна нить)

Манометр Пирани состоит из металлической проволоки, открытой к измеряемому давлению. Проволока нагревается протекающим через нее током и охлаждается окружающим газом. При уменьшении давления газа, охлаждающий эффект тоже уменьшается и равновесная температура проволоки увеличивается. Сопротивление проволоки является функцией температуры: измеряя напряжение через проволоку и текущий через неё ток, сопротивление (и таким образом давление газа) может быть определено. Этот тип манометра был впервые сконструирован Марчелло Пирани.

Термопарный и термисторный манометры работают похожим образом. Отличие же в том, что термопара и термистор используются для измерения температуры нити накаливания.

Измерительный диапазон: 10−3 - 10 мм рт. ст. (грубо 10−1 - 1000 Па)

Ионизационный манометр

Ионизационные манометры - наиболее чувствительные измерительные приборы для очень низких давлений. Они измеряют давление косвенно через измерение ионов образующихся при бомбардировке газа электронами. Чем меньше плотность газа, тем меньше ионов будет образовано. Калибрирование ионного манометра - нестабильно и зависит от природы измеряемых газов, которая не всегда известна. Они могут быть откалибрированы через сравнение с показаниями манометра Мак Леода, которые значительно более стабильны и независимы от химии.

Термоэлектроны соударяются с атомами газа и генерируют ионы. Ионы притягиваются к электроду под подходящим напряжением, известным как коллектор. Ток в коллекторе пропорционален скорости ионизации, которая является функцией давления в системе. Таким образом, измерение тока коллектора позволяет определить давление газа. Имеется несколько подтипов ионизационных манометров.

Измерительный диапазон: 10−10 - 10−3 мм рт. ст. (грубо 10−8 - 10−1 Па)

Большинство ионных манометров делятся на два вида: горячий катод и холодный катод. Третий вид - это манометр с вращающимся ротором более чувствителен и дорог, чем первые два и здесь не обсуждается. В случае горячего катода электрически нагреваемая нить накала создаёт электронный луч. Электроны проходят через манометр и ионизуют молекулы газа вокруг себя. Образующиеся ионы собираются на отрицательно заряженном электроде. Ток зависит от числа ионов, которое, в свою очередь, зависит от давления газа. Манометры с горячим катодом аккуратно измеряют давление в диапазоне 10−3 мм рт. ст. до 10−10 мм рт. ст. Принцип манометра с холодным катодом тот же, исключая, что электроны образуются в разряде созданным высоковольтным электрическим разрядом. Манометры с холодным катодом аккуратно измеряют давление в диапазоне 10−2 мм рт. ст. до 10−9 мм рт. ст. Калибрирование ионизационных манометров очень чувствительно к конструкционной геометрии, химическому составу измеряемых газов, коррозии и поверхностным напылениям. Их калибровка может стать непригодной при включении при атмосферном и очень низком давлении. Состав вакуума при низких давлениях обычно непредсказуем, поэтому масс-спектрометр должен быть использован одновременно с ионизационным манометром для точных измерений.

Горячий катод

Ионизационный манометр с горячим катодом Баярда-Алперта обычно состоит из трёх электродов работающих в режиме триода, где катодом является нить накала. Три электрода - это коллектор, нить накала и сетка. Ток коллектора измеряется в пикоамперах электрометром. Разность потенциалов между нитью накала и землёй обычно составляет 30 В, в то время как напряжение сетки под постоянным напражением - 180-210 вольт, если нет опционоальной электронной бомбардировки, через нагрев сетки, которая может иметь высокий потенциал приблизительно 565 Вольт. Наиболее распространенный ионный манометр - это горячим катодом Баярда-Алперта с маленьким ионным коллектором внутри сетки. Стеклянный кожух с отверстием к вакууму может окружать электроды, но обычно он не используется и манометр встраивается в вакуумный прибор напрямую и контакты выводятся через керамическую плату в стене ваккумного устройства. Ионизационные манометры с горячим катодом могут быть повреждены или потерять калибровку если они включаются при атмосферном давлении или даже при низком вакууме. Измерения ионизационных манометров с горячим катодом всегда логарифмичны.

Электроны испущенные нитью накала движутся несколько раз в прямом и обратном направлении вокруг сетки пока не попадут на неё. При этих движениях, часть электронов сталкивается с молекулами газа и формирует электрон-ионные пары (электронная ионизация). Число таких ионов пропорционально плотности молекул газа умноженной на термоэлектронный ток, и эти ионы летят на коллектор, формируя ионный ток. Так как плотность молекул газа пропорциональна давлению, давление оценивается через измерение ионного тока.

Чувствительность к низкому давлению манометров с горячим катодом ограничена фотоэлектрическим эффектом. Электроны, ударяющие в сетку, производят рентгеновские лучи, которые производят фотоэлектрический шум в ионном коллекторе. Это ограничивает диапазон старых манометров с горячим катодом до 10−8 мм рт. ст. и Баярда-Алперта приблизительно к 10−10 мм рт. ст. Дополнительные провода под потенциалом катода в луче обзора между ионным коллектором и сеткой предотвращают этот эффект. В типе извлечения ионы притягиваются не проводом, а открытым конусом. Поскольку ионы не могут решить, какую часть конуса ударить, они проходят через отверстие и формируют ионный луч. Этот луч иона может быть передан нa кружку Фарадея.