Manometry do pomiaru ciśnienia gazu: typy, cechy konstrukcji i działania mierników

Nierzadko pojawia się potrzeba pomiaru ciśnienia wytwarzanego przez gaz. Na przykład w butlach, gazociągach, różnych zbiornikach i naczyniach. Do kontroli i monitorowania wskaźników stosuje się manometry do pomiaru ciśnienia gazu. Urządzenia te są używane w różnych dziedzinach życia, od medycyny po ciężki przemysł.

Aby zakup urządzenia nie okazał się daremny, a kupiony manometr odpowiadał wymaganiom procesów produkcyjnych, warto zapoznać się z klasyfikacją. Przedstawimy Państwu rodzaje mierników ciśnienia gazu. Opowiemy o ich cechach konstrukcyjnych i zasadach działania.

Klasyfikacja według rodzaju mierzonego ciśnienia

Przyrządy służące do uzyskiwania danych o parametrach ciśnienia gazu w gazociągach, magistralach przesyłowych, w butlach gazowych i innych zbiornikach są klasyfikowane według kilku kryteriów. Różnią się budową i zasadą działania.

Urządzenia, za pomocą których mierzy się ciśnienie, dzielą się na klasy według:

• rodzaju mierzonego ciśnienia;
• przeznaczenia;
• według zasady działania;
• klasy dokładności.

Według rodzaju mierzonego ciśnienia przyrządy przeznaczone do określania dokładnych wskaźników dzieli się na manometry, wakuometry, ciągomierze, napieromierze, barometry i inne.

W zależności od stopnia ochrony przed wpływem środowiska zewnętrznego produkuje się następujące przyrządy:

• standardowe;
• chronione przed pyłem;
• wodoodporne;
• chronione przed środowiskami agresywnymi;
• wybuchoodporne.

Jeden wyrób może łączyć kilka rodzajów ochrony.

Na schemacie przedstawiono podział przyrządów pomiarowych według zasady działania, według rodzaju ciśnienia, według zastosowania i według wyświetlania. Cieczowe i ciężarkowo-tłokowe przyrządy do uzyskiwania danych o ciśnieniu gazu są stosowane rzadko.

Manometr to niewielki przyrząd służący do pomiaru ciśnienia lub różnicy ciśnień. Zasada działania tego przyrządu kontrolno-pomiarowego zależy od jego budowy wewnętrznej. W ramach jednej klasy dzieli się je na grupy w zależności od klasy dokładności.

Aby zmierzyć ciśnienie absolutne, którego wartości są liczone od zera absolutnego (próżni), stosuje się manometry absolutne. Ciśnienie względne określa się za pomocą manometru ciśnienia względnego. Ogólnie wszystkie odmiany takich przyrządów nazywa się jednym słowem: „manometr”.

Większość odmian manometrów przeznaczona jest do pomiaru wartości ciśnienia względnego. Ich cechą charakterystyczną jest to, że pokazują ciśnienie będące różnicą między ciśnieniem absolutnym a atmosferycznym.

Wakuometry to urządzenia pokazujące wartość ciśnienia gazu rozrzedzonego. Stosując manowakuometry, mierzy się ciśnienie względne i ciśnienie gazu rozrzedzonego. Informacja wyświetlana jest na wspólnej skali.

Za pomocą ciśnieniomierzy określa się parametry ciśnienia względnego o wartościach do 40 kPa. Podciśnieniomierze natomiast pozwalają zmierzyć rozrzedzenie do –40 kPa. Za pomocą ciśnieniomierzy podciśnieniowych mierzy się rozrzedzenie i ciśnienie względne w zakresie od –20 do +20 kPa.

Manometry stosuje się w bardzo różnych gałęziach przemysłu. Praca z gazem wiąże się z wysokim ryzykiem, dlatego ważne jest kontrolowanie wszystkich parametrów systemu. Informacja o ciśnieniu daje użytkownikom dane o bieżącym stanie mierzonego obiektu.

Manometrami różnicowymi można określić różnicę ciśnień w dwóch dowolnych badanych punktach. Mikromanometr to manometr różnicowy umożliwiający pomiar wartości różnicy ciśnień w zakresie do 40 kPa.

Klasyfikacja według zasady działania

Manometry gazowe w zależności od mechanizmu odczytu wskazań dzielą się na:

• Deformacyjne;
• Elektryczne;
• Obciążnikowo-tłokowe;
• Cieczowe.

Każdy typ ma swoje charakterystyczne cechy.

Deformacyjny rodzaj manometrów

Zasada i podstawy działania urządzeń klasy deformacyjnej polegają na tym, że ciśnienie oddziałuje na czuły element przyrządu, który ulega odkształceniu. Poziom ciśnienia określa się na podstawie stopnia odkształcenia.

Manometry deformacyjne są produkowane z rurowymi sprężynami, mieszkowymi lub membranowymi elementami roboczymi, charakteryzującymi się wysoką czułością.

Elementami odbiorczymi w urządzeniach rurowosprężystych są rurowe sprężyny. Te produkty to wygięte w okrąg rurki o owalnym przekroju poprzecznym. Gaz oddziałuje na wewnętrzną powierzchnię rurki. Pod wpływem tego oddziaływania rurka odkształca się i zmienia swój kształt, zbliżając się do okrągłego.

Jeden koniec rurki jest zaspawany i może się przemieszczać. Drugi jest otwarty i unieruchomiony przez uchwyty. Przy wyginaniu rurki sprężynowej wpływ wywierany jest również na pierścienie, które następnie rozginają sprężynę. Zaspawany koniec sprężyny porusza się zgodnie z siłą ciśnienia. Ruch ten przekazywany jest na skalę pomiarową.

Przy pomiarze ciśnienia do 40 barów stosuje się sprężyny okrągłe. Przy wyższym ciśnieniu stosuje się sprężyny śrubowe lub spiralne znajdujące się w jednej płaszczyźnie. Błąd wskazań przy pomiarze ciśnienia tą metodą wynosi od 1 do 4%.

Membranowe i mieszkowe elementy czujnikowe umożliwiają skuteczny pomiar małych wartości ciśnienia nadciśnienia i podciśnienia.

Mieszek jest wytwarzany na zasadzie sanitarnego węża mieszkowego. Stanowi on cienkościenną metalową rurkę z ruchomych poprzecznych pierścieni. W zależności od materiału i parametrów wykonania mieszek może być mniej lub bardziej sztywny.

Pod wpływem wysokiej temperatury z czasem gromadzą się odkształcenia plastyczne, co zakłóca poprawność wskazań. Ponadto przy podwyższonej temperaturze i pulsacji ciśnienia przyspiesza się zmiana charakterystyki statycznej.

Czułe elementy membranowe charakteryzują się największą różnorodnością. Klasa dokładności takich urządzeń nie przekracza 1,5. W takich przyrządach przewidziano system zabezpieczający. W przypadku przeciążenia membrana opiera się o specjalne urządzenie ochronne.

Skrzynie membranowe są często instalowane w przyrządach mierzących ciśnienie i podciśnienie. Manometry ciśnienia, ciągomierze i manometry ciągowo-ciśnieniowe ze skrzyniami membranowymi są produkowane z klasami dokładności 1,5; 2,5 i zakresem pomiarowym do 25 kPa.

Płaskie membrany charakteryzują się małym przemieszczeniem punktu pracy, dlatego najczęściej stosuje się je do przetwarzania ciśnienia na siłę. Są niestabilne, ale dobrze się oblicza.

Membrany fałdowane wraz z analogicznymi skrzyniami są stosowane w celu poprawy charakterystyki statycznej. Pierwsze lepiej się przemieszczają, ale są trudne do obliczenia. Drugie są używane znacznie częściej ze względu na mniejszą sztywność.

Do pomiaru małych wartości ciśnienia stosuje się urządzenia z wiotkimi membranami.

Przyrządy wymagają ochrony przed wpływem wysokiej temperatury, ponieważ negatywnie wpływa ona na sprężystość i czułość głównych elementów roboczych.

Mechaniczne manometry wskazujące

Wiele manometrów ze sprężyną rurkową jest w rzeczywistości urządzeniami bezpośredniego przetwarzania. Oznacza to, że ciśnienie jest przekształcane w przemieszczenie elementu czujnikowego i stykającego się z nim urządzenia mechanicznego.

Na schemacie złączka jest umieszczona promieniowo, jednak produkuje się również manometry z osiowym położeniem złączki.

Pod wpływem ciśnienia przemieszcza się wolny koniec sprężyny, wodzik oddziałuje na sektor zębaty, co powoduje obrót koła zębatego i wskazówki.

Sprężynowe manometry wskazujące są produkowane z zakresem pomiarowym od 0,1 do 103 MPa i mają różne klasy dokładności. Modele wzorcowe są wydawane z klasami dokładności 0,15; 0,25; 0,4. Przyrządy pomiarowe kategorii roboczej o podwyższonej dokładności – 1 i 0,6. Robocze ogólnotechniczne – z klasami dokładności 1,5; 2,5; 4.

Manometry elektrokontaktowe

Konstrukcyjnie jest to modyfikacja manometru wskazującego. Zasada działania polega na tym, że po osiągnięciu przez wskazówkę progowej wartości ciśnienia następuje zamknięcie obwodu.

W konstrukcji manometru wskazującego dodatkowo wbudowane są wskazówki ze sprężystymi stykami elektrycznymi, które są umieszczone naprzeciwko wartości sygnalizowanych.

Obwód elektryczny zamyka się i włącza się alarm, gdy wskazówka wskazująca osiągnie jedną ze wskazówek ze stykami. Klasa dokładności takich manometrów wynosi 1,5. Zakres pomiarowy odpowiada standardowym wartościom.

W celu zapewnienia sygnalizacji lub do regulacji pozycyjnej stosuje się przekaźniki ciśnienia oznaczone RD. Mierzą one ciśnienie w zakresie od 12 do 1600 kPa. Przekaźnik jest ustawiany na górną i dolną granicę aktywacji według wskazań przyrządu kontrolnego i ma moc rozłączania 10 W.

Samopiszące modele manometrów

Przemysł produkuje manometry z wbudowanym systemem odczytu wskaźników, który rejestruje wartości na diagramie tarczowym, tak aby można było śledzić dynamikę wskaźników. Jeden obrót może trwać 8, 12, 24 godziny. Ruch odbywa się za pomocą silnika elektrycznego lub mechanizmu zegarowego.

Działanie samopisu manometrycznego opiera się na przekazywaniu sygnału przez sprężynę rurową o dużej średnicy, która ma siłę pociągową. Przekazuje ona ruch z elementu czujnikowego do systemu wskazującego. Urządzenia oznaczone MTS rejestrują wartości ciśnienia nadmiarowego.

Takie urządzenia wymagają kontroli operatora i mają klasy dokładności 1; 1,5; 2,5.

Mieszkowe elementy czujnikowe są stosowane w samopiszących dyfmanometrach, które mogą być dodatkowo wyposażone w urządzenie sygnalizacyjne i przetwornik pneumatyczny. Takie przyrządy mierzą ciśnienie w zakresie od 6,3 kPa do 0,16 MPa i mają klasy dokładności 1; 1,5.

Manometry ciężarkowo-tłokowe

Takie manometry są często używane jako wzorce do sprawdzania innych przyrządów pomiarowych. Ich zakres pomiarowy jest bardzo szeroki. W zależności od konstrukcji przyrządu może zaczynać się od poważnych wartości podciśnienia, a kończyć na nadciśnieniu do 2500 MPa. Klasa dokładności osiąga maksymalne wartości aż do 0,0015.

Za każdym razem, gdy na przyrząd pomiarowy działa obciążenie przekraczające dopuszczalną normę, traci on na długości swojego okresu eksploatacji i dokładności pomiarów.

Zasada działania polega na utrzymywaniu cylindra w tłoku w określonym stanie, podczas gdy z jednej strony oddziałują obciążniki kalibracyjne, a z drugiej mierzone ciśnienie. Na podstawie ciężaru obciążników ocenia się wielkość wytworzonego ciśnienia.

Głównym elementem roboczym przyrządu jest kolumna pomiarowa. W zależności od jakości jej wykonania, dokładności i czystości połączeń zmienia się również wielkość błędu.

Najmniejszy błąd pomiaru mają GPM pracujące na gazie. Jednak takie urządzenia kosztują wielokrotnie więcej ze względu na specyfikę swojej konstrukcji oraz konieczność filtracji gazu z obcych cząstek.

Funkcjonalnie manometr tłokowo-obciążeniowy składa się z urządzenia do wytwarzania ciśnienia, układu pomiarowego oraz obciążników. Urządzenie wyposażone jest w mechanizm obrotowy do podnoszenia i obniżania ciśnienia, a także zawór spustowy ciśnienia.

Szeroko stosowane są manometry z nieuszczelnionym tłokiem. Mają one szczelinę między tłokiem a cylindrem. Zbiornik pod tłokiem wypełniony jest olejem, który pod ciśnieniem wpływa do szczeliny i smaruje trące się powierzchnie.

Elektryczny miernik środowiska gazowego

Takie manometry stosuje się do przekształcania bezpośredniego lub pośredniego ciśnienia gazu na parametr elektryczny. Najczęściej spotykanymi manometrami tego typu są: tensorezystancyjne, pojemnościowe oraz przyrządy oporowe. Ciśnienie mierzone jest w zakresie od 100 Pa do 1000 MPa. Przyrządy produkowane są w klasach dokładności od 0,1 do 2,5.

Działanie manometrów opartych na efekcie tensorezystancyjnym polega na zmianie wartości rezystancji przewodnika w wyniku deformacji. Mierzą ciśnienie w zakresie od 60 do 10⁸ Pa z minimalnym błędem.

Kołnierzowe mocowanie czujnika oraz specjalna konstrukcja przyrządu pozwalają na odczyt danych o ciśnieniu w szczególnie agresywnych środowiskach o temperaturze do 300 °C. Stosowane są do pomiaru ciśnienia w systemach z szybkimi procesami.

Schemat działania manometrów oporowych opiera się na zależności rezystancji przewodnika od ciśnienia. Zazwyczaj ten typ urządzeń stosuje się do pomiaru ciśnienia szczególnie wysokiego, powyżej 100 MPa.

Członem czujnym w takim przyrządzie jest drut manganinowy, którego rezystancja łatwo mierzona jest za pomocą mostka zrównoważonego.

Działanie manometrów pojemnościowych opiera się na oddziaływaniu ciśnienia na membranę, która stanowi ruchomą elektrodę. Gdy membrana się przemieszcza, następuje zmiana pojemności przetwornika. Charakteryzują się znacznymi błędami temperaturowymi.

W manometrach pojemnościowych ugięcie membrany jest określane przez układ elektryczny. Takie przyrządy stosowane są w systemach z szybkimi zmianami ciśnienia.

Cieczowe przyrządy pomiarowe

Określanie ciśnienia za pomocą tych przyrządów odbywa się poprzez równoważenie mierzonego ciśnienia ciśnieniem generowanym przez słup cieczy. W ten sposób można zmierzyć niewielkie nadciśnienie, ciśnienie atmosferyczne, poziom podciśnienia, różnicę ciśnień.

Tę grupę reprezentują manometry U-kształtne, które składają się z naczyń połączonych, a ciśnienie określa się na podstawie poziomów cieczy; mikromanometry kompensacyjne; manometry kubkowe, w których zamiast drugiej rurki używa się zbiornika; pływakowe, dzwonowe i pierścieniowe manometry różnicowe.

Manometry dwururkowe umożliwiają pomiar różnic ciśnień. W tym przypadku do każdej z rurek doprowadza się ciśnienia, które należy zmierzyć.

W cieczowych przyrządach pomiarowych ciecz robocza jest odpowiednikiem elementu czujnikowego.

Manometry różnicowe są zwykle wyposażone w sygnalizatory, liczniki przepływu, regulatory i urządzenia rejestrujące. Zakres pomiarowy od 10 do 10⁵ Pa. W zależności od cieczy wypełniających przyrząd zmienia się zakres pomiarów.

Podział według przeznaczenia funkcjonalnego

Ze względu na przeznaczenie wyróżnia się następujące rodzaje manometrów stosowanych do pomiaru ciśnienia gazu:

• ogólnotechniczne;
• wzorcowe;
• specjalne.

Przyjrzyjmy się cechom każdego rodzaju.

Manometry ogólnego przeznaczenia technicznego

Ten rodzaj manometrów jest produkowany w celu pomiaru wartości ciśnienia próżniomierczego i nadciśnienia do celów ogólnotechnicznych. Różne modyfikacje urządzeń pozwalają na ich wykorzystanie w najróżniejszych środowiskach. Stosowane są do pomiaru ciśnienia w produkcji bezpośrednio podczas procesów technologicznych.

Ciśnienie w takich przyrządach działa na rurkę od wewnątrz i powoduje przesunięcie wolnego końca. Z nim współpracuje mechanizm, który porusza wskazówkę.

Takimi manometrami można mierzyć ciśnienie ośrodków gazowych, które są nieagresywne w stosunku do stopów miedzi w temperaturze roboczej do 150 °C. Zazwyczaj korpus wyrobu wykonany jest ze stali, a części mechanizmu ze stopu mosiądzu.

Ogólnotechniczne manometry do gazu niskiego lub wysokiego ciśnienia są produkowane jako odporne na drgania o częstotliwości w zakresie od 10 do 55 Hz oraz amplitudzie przesunięcia maksymalnie 0,15 milimetra. Posiadają kilka klas dokładności od 1 do 2,5.

Manometry cyfrowe mają niewielkie rozmiary, charakteryzują się wysoką dokładnością pomiaru i długą żywotnością. Ponadto takie urządzenia można kalibrować.

Zyskują na popularności manometry gazowe ogólnego przeznaczenia technicznego z płytą elektroniczną, na której wyświetlane są dane przeprowadzonych pomiarów. Często są wyposażone w przetworniki, co automatyzuje procesy technologiczne. Wartości ciśnienia są wyświetlane na elektronicznej tarczy.

Grupa manometrów specjalnych

Takie przyrządy są produkowane pod konkretny rodzaj gazu i wytwarzane przez niego środowisko. Dla systemów z podwyższonym ciśnieniem produkuje się manometry dla gazu wysokiego ciśnienia. Niektóre gazy są agresywne w stosunku do określonych stopów, dlatego do pracy z nimi wymagane jest stosowanie odpornych materiałów.

Manometry specjalne są malowane na różne kolory w zależności od rodzaju gazu.

Manometry propanowe są malowane na czerwono, mają stalową obudowę i charakterystyki manometrów ogólnego przeznaczenia technicznego. Ciśnienie robocze takich przyrządów wynosi od 0 do 0,6 MPa. Jest to standardowe ciśnienie propanu. Możliwa jest eksploatacja w zakresie temperatur od –50 do +60 °C. Temperatura czynnika roboczego do +150 °C. Często wchodzą w skład zestawu z reduktorami butlowymi.

Mierniki ciśnienia amoniaku w butlach i innych zbiornikach są malowane na żółto. Agregaty z wielostopniowym sprężaniem są wyposażone w skalę temperatury. Elementy manometru są wykonane z materiałów odpornych na działanie par amoniaku.

W przypadku wystąpienia poważnych obciążeń dynamicznych manometry są zalewane gliceryną lub silikonem.

Manometr acetylenowy jest malowany na biało. Jest produkowany jako manometr systemów bezpieczeństwa z odtłuszczonych materiałów. Służy do pomiaru ciśnienia nadciśnienia w różnych systemach dystrybucji i wytwarzania acetylenu. Obudowa wykonana ze stali, elementy wewnętrzne ze stopu mosiądzu. Zakres dopuszczalnych temperatur od –40 do +70 °C.

Manometr wodorowy jest malowany na ciemnozielono. Manometr dla innych gazów palnych jest malowany na czerwono. Przyrząd pomiarowy dla mieszanin niepalnych jest malowany na czarno. Manometr tlenowy jest malowany na niebiesko.

Wzorcowe urządzenia do pomiaru ciśnienia

Ten typ manometrów jest przeznaczony do sprawdzania, kalibracji i regulacji innych przyrządów w celu zapewnienia jak najwyższej dokładności pomiarów. Takie urządzenia charakteryzują się wyższą klasą dokładności w porównaniu z ogólnotechnicznymi. Wzorce robocze dzielą się na trzy rzędy.

Manometry kontrolne, używane do weryfikacji wiarygodności wskazań przyrządów pomiarowych w miejscu instalacji, nazywane są również manometrami o podwyższonej dokładności. Roboczy zakres pomiaru od 0-0,6 do 0-1600 bar dla środowisk gazowych.

Manometry do zwykłych i kompozytowych butli gazowych muszą przechodzić procedurę legalizacji nie rzadziej niż raz w roku, chyba że inne terminy są określone w dokumentach przyrządu. Legalizację przeprowadzają akredytowane organizacje metrologiczne posiadające status osób prawnych. Po legalizacji wydawane jest świadectwo i umieszczane jest cechowanie.

Przyrząd należy zdjąć z butli i zanieść do służby metrologicznej. Tam wzorcownicy i kalibratorzy za pomocą zestawu wzorców i przyrządów pomocniczych, przez około 10 dni, przeprowadzą wzorcowanie.

Mechanizmy przekładniowe w manometrach wzorcowych są obrabiane z podwyższoną częstotliwością zazębienia. Charakteryzują się minimalnym tarciem w mechanizmie wskazówkowym oraz wysoką czułością elementów wewnętrznych.

Manometry wzorcowe z klasą dokładności 0,4 mają skalę 250 jednostek, z klasą dokładności 0,15 lub 0,25 mają skalę 400 jednostek z podziałką co 1 jednostkę. Eksploatacja urządzenia jest możliwa w różnych temperaturach w zależności od wypełnienia obudowy. Idealna temperatura pracy wynosi 20 °C.

Ze specyfiką przeprowadzania napełniania butli gazowych zapozna następujący artykuł. Przeczytanie go warto polecić wszystkim właścicielom posesji podmiejskich, niepodłączonych do centralnego gazownictwa.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Zasada działania manometru sprężynowego:

Charakterystyka i obszary zastosowania manometru:

Manometry są produkowane do rozwiązywania różnych zadań. Największą popularnością cieszą się rodzaje ogólnotechniczne, stosowane w małych zakładach produkcyjnych, przez różne firmy przy pracy z urządzeniami i systemami gazowymi. Manometry elektryczne stykowe to urządzenia sygnalizujące osiągnięcie wartości krytycznej.

Do wzorcowania i justowania manometrów stosuje się manometry wzorcowe. Specjalne manometry są produkowane do pomiaru ciśnienia konkretnego środowiska gazowego. Wśród nich dużą popularnością cieszą się manometry propanowe, które często instaluje się w komplecie z reduktorem na butlach gazowych.

Chcesz podzielić się przydatnymi informacjami na temat artykułu, zadać pytanie lub umieścić zdjęcie? Prosimy zostawiać komentarze w poniższym bloku formularza. Dziel się przydatnymi informacjami i poradami, które mogą przydać się odwiedzającym stronę.