Manometry – Podstawy, rodzaje i funkcje manometrów

Struktura

Manometry są stosowane w różnych zastosowaniach, w tym do pomiaru ciśnienia w oponach samochodowych, monitorowania warunków ciśnienia atmosferycznego na stacjach meteorologicznych oraz pomiaru ciśnienia w rurach gazowych i wodnych. W zależności od obszaru zastosowania i konstrukcji manometry mogą mierzyć ciśnienie względne względem odpowiedniego ciśnienia statycznego (np. ciśnienia atmosferycznego powietrza) lub ciśnienia bezwzględnego względem podciśnienia (np. barometru).

Jak działają manometry

W odniesieniu do elementów, które przekazują ciśnienie do mechanizmu wyświetlacza w systemie, w zastosowaniach przemysłowych zasadniczo rozróżnia się manometry sprężynowe z rurką Bourdona, manometry membranowe i manometry kapsułowe. Skala analogowa ze wskazówką lub wyświetlacz cyfrowy, w którym fizycznie zmierzone ciśnienie jest przekształcane w sygnał elektryczny za pomocą czujników ciśnienia i pokazywane na wyświetlaczu, służy jako urządzenie wskazujące.

Manometry są przeznaczone do określonego zakresu ciśnienia, który musi być brany pod uwagę przy wyborze.

Manometr z rurką Bourdona

Manometr sprężynowy z rurką jest manometrem ciśnieniowym, który działa zgodnie z zasadą odkształcenia elastycznego. W obudowie otaczającej znajduje się sprężyna rurkowa (zwana również sprężyną Bourdona), która tworzy połączenie między mierzoną substancją a skalą wskazywania. Sprężyna rurkowa wewnątrz manometru jest wypełniona materiałem pomiarowym (np. wodą).

Jeśli ciśnienie w sprężynie zwiniętej rury wzrośnie, odkształca się elastycznie i próbuje się odwinąć. Powodem tego są zjawiska fizyczne wynikające ze spiralnej lub okrągłej konstrukcji rurki. Ruch ten jest przenoszony mechanicznie z końcówki sprężyny rurkowej na wskazówkę poprzez cięgno, w ten sposób wskazując na skali przyłożone ciśnienie. Manometry sprężynowe rurkowe są uniwersalne i nadają się do szerokiego zakresu zastosowań.

Ponieważ jednak mierzone ciecze lub gazy wnikają bezpośrednio do manometru, zazwyczaj nie nadają się do pomiaru ciśnienia agresywnych mediów. W takich przypadkach należy zastosować czujniki ciśnienia wykonane ze specjalnych materiałów w celu oddzielenia manometru od materiału pomiarowego lub przejść na powlekane manometry membranowe.

Manometry membranowe

Manometry membranowe przekazują ciśnienie w systemie do urządzenia wskazującego za pomocą membrany. Obok urządzenia wskazującego znajduje się membrana, która jest zwykle zaciśnięta między dwoma kołnierzami i jest połączona ze wskazówką popychaczem i fizycznie oddziela wnętrze manometru od substancji, która ma być mierzona.

Jeśli siła działa na membranę od zewnątrz, odkształca się wzdłuż działającej siły i przekłada ruch za pomocą popychacza na wartość, którą można odczytać na skali. Ponieważ membrana jest podtrzymywana przez kołnierz po stronie manometru przy maksymalnym obciążeniu, ta forma manometru jest stosunkowo odporna na przeciążenia.

Manometry membranowe mogą wykazywać precyzyjne wyniki nawet przy bardzo niskim ciśnieniu rzędu kilku milibarów i mogą być również używane do pomiarów ciśnienia w systemach z agresywnymi mediami z odpowiednią powłoką membrany (np. PTFE lub złotem).

Manometry kapsułkowe

Manometry kapsułkowe są zaprojektowane tak, aby przypominały strukturę manometrów membranowych, ale mają dwie membrany połączone ze sobą na krawędziach po wewnętrznej stronie.

W membranie po stronie materiału pomiarowego znajduje się otwór, za pomocą którego materiał pomiarowy (zazwyczaj suche gazy) może przepływać bezpośrednio do elementu kapsułki. Wywierane nadciśnienie lub podciśnienie w warunkach podciśnienia spowoduje deformację kapsułki, która w rezultacie rozszerza się lub kurczy. Odkształcenie jest przenoszone do systemu wskazywania za pomocą połączenia mechanicznego. Manometry kapsułkowe nadają się do precyzyjnych pomiarów ciśnienia w zakresie mbar ze względu na ich wysoką dokładność pomiaru.

Właściwości manometrów

Poniższa lista zawiera przegląd najważniejszych właściwości manometrów.

Zasada działania i budowa

Manometry rejestrują ciśnienie w systemie przy użyciu różnych zasad funkcjonalnych. Oprócz zasad opisanych powyżej, które są najbardziej rozpowszechnione, istnieje wiele innych specjalnych form manometrów przeznaczonych do specjalnych zastosowań. Na przykład barometry z zamkniętą kapsułą jako specjalną formą kapsułowych barometrów sprężynowych, skal ciśnienia lub manometrów płynnych.

Zakres wskazywania

Zakres wskazywania pokazuje, w jakim zakresie ciśnienia manometr jest odpowiedni do pomiaru. Ciśnienie jest korzystnie określone w barach.

Klasa dokładności

Klasa dokładności manometru wskazuje, jak duże może być odchylenie wartości wskazywanej na manometrze od rzeczywistej wartości zastosowanej.

Zgodnie z normą EN 837-1 klasy dokładności wynoszą od 0,1 do 4,0 przy temperaturze referencyjnej 20°C. Klasy dokładności są podane jako procent zakresu wskazywania. Przy klasie dokładności 1,0 i zakresie wskazywania 100 barów, granica błędu manometru wynosiłaby zatem ± 1 bar.

Zabezpieczenie przed przeciążeniem

Zabezpieczenie przed przeciążeniem odnosi się do zdolności manometru do wytrzymywania ciśnień wykraczających poza zakres wskazywania. Jeśli ciśnienie wzrasta dalej i przekracza ten zakres bezpieczeństwa, sprężyste odkształcenie elementów amortyzujących ciśnienie przekształca się w odkształcenie plastyczne. System pomiarowy jest trwale zdeformowany.

Rozmiar nominalny

Rozmiar wyświetlacza manometru jest podany jako rozmiar nominalny w milimetrach.

Stopniowanie skali

Stopniowanie skali dostarcza informacji o dokładności odczytu urządzenia wskazującego i oznacza odstępy skali wyświetlacza.

Właściwości instalacyjne

Oprócz podstawowych właściwości manometrów wymienionych powyżej, przy wyborze właściwego manometru dla planowanego zastosowania należy wziąć pod uwagę inne właściwości specyficzne dla instalacji, takie jak rozmiar gwintu i położenie śruby mocującej. Manometry mogą być również napełniane płynem (np. gliceryną), aby tłumić silne wibracje lub szybko zmieniające się ciśnienia.

Jak działają manometry różnicowe

Pomiar różnicy ciśnień ma ogromne znaczenie dla zastosowań przemysłowych i jest stosowany na przykład do pomiaru poziomu napełnienia zbiorników wypełnionych cieczą lub do pomiaru prędkości przepływu i związanych z nimi prędkości przepływu.

Pomiar różnicy ciśnień ma ogromne znaczenie dla zastosowań przemysłowych i jest stosowany na przykład do pomiaru poziomu napełnienia zbiorników wypełnionych cieczą lub do pomiaru prędkości przepływu i związanych z nimi prędkości przepływu.

Różnica ciśnień jest oceniana na podstawie stopnia i kierunku odkształcenia tej membrany i przekazywana do systemu wskazywania. Do pomiaru prędkości przepływu można użyć różnych czujników pomiarowych, takich jak dynamiczne sondy ciśnieniowe lub mierniki/ dysze Venturiego, w zależności od przekroju rurociągu i warunków pracy.

Czujniki ciśnienia i przepływomierze

Czujniki ciśnienia i przepływomierze są specjalnymi formami manometrów.

Czujniki ciśnienia służą na przykład do pomiaru poziomu napełnienia zbiorników lub pojemników. Są one również stosowane w układach hydraulicznych do sterowania ciśnieniem oleju w układzie. Są różne typy czujników ciśnienia, takie jak czujniki piezorezystancyjne lub czujniki pojemnościowe.

Przepływomierze służą natomiast do pomiaru ilości cieczy lub gazu przepływających przez system rurociągowy. Jest to ważne dla precyzyjnego dozowania mediów w przemyśle chemicznym lub farmaceutycznym, a także dla systemów grzewczych w celu sprawdzenia zużycia energii.

Wybór odpowiedniego manometru

Przy wyborze manometrów ważne jest, aby wziąć pod uwagę specyfikacje komponentów i materiałów.

Może to być oparte na specyfikacji DIN, które są szeroko rozpowszechnione w Europie lub specyfikacji JIS, które pochodzą z Japonii. Należy jednak pamiętać, że nie wszystkie komponenty i materiały są kompatybilne z JIS i DIN.

Dlatego zaleca się uzgodnienie specyfikacji regionu przy wyborze połączonych elementów precyzyjnych.