Различные виды манометров и как выбрать один

Манометры являются одними из самых фундаментальных инструментов в любой промышленной, механической или технологической среде. Они обеспечивают измерение давления жидкости или газа в режиме реального времени, позволяя операторам контролировать работу системы, предотвращать повреждение оборудования и обеспечивать безопасность персонала. Однако термин «манометр» охватывает удивительно широкую категорию приборов, каждый из которых предназначен для определенного принципа измерения, рабочей среды и требований к точности. Понимание различных типов доступных датчиков и знание того, какой тип подходит для какого применения, является важным знанием как для инженеров, специалистов по закупкам, так и для техников по техническому обслуживанию.

Что на самом деле измеряет манометр

Прежде чем изучать различные типы датчиков, важно уточнить, что на самом деле измеряется, поскольку разные типы датчиков частично определяются их контрольной точкой. Давление — это сила, приложенная к единице площади, и ее можно выразить относительно различных базовых линий в зависимости от применения и конструкции прибора.

Манометрическое давление является наиболее часто измеряемой величиной и представляет собой давление относительно местного атмосферного давления. Нулевое показание манометра означает, что давление в системе равно атмосферному давлению, а не то, что давление вообще отсутствует. Абсолютное давление измеряется относительно идеального вакуума и используется в приложениях, где атмосферные изменения могут привести к недопустимой ошибке, например, в процессах, чувствительных к высоте или в вакууме. Перепад давления измеряет разницу между двумя точками давления в системе и имеет решающее значение для мониторинга скорости потока, состояния фильтра и уровня в резервуарах под давлением. Каждый из этих типов измерений соответствует определенной конструкции манометра, поэтому определение правильной опорной точки является первым шагом в выборе правильного прибора.

Манометры с трубкой Бурдона

Манометр с трубкой Бурдона является наиболее широко используемым механическим устройством. манометр в мире. Его принцип работы основан на изогнутой полой металлической трубке — обычно С-образной, спиральной или спиральной — которая слегка выпрямляется по мере увеличения внутреннего давления. Это движение механически усиливается посредством зубчатой ​​передачи, которая преобразует отклонение трубки во вращательное движение указателя по калиброванному циферблату. Манометры с трубкой Бурдона прочны, надежны, автономны и не требуют внешнего источника питания, что делает их отраслевым стандартом для мониторинга давления общего назначения практически во всех отраслях.

Манометры с трубкой Бурдона доступны в диапазонах измерения от 0–0,6 бар до нескольких тысяч бар, в зависимости от материала трубки и толщины стенки. Стандартные материалы трубок включают латунь и фосфористую бронзу для общего применения, а трубы из нержавеющей стали предназначены для агрессивных сред, высокотемпературных жидкостей или гигиенических применений. Основным ограничением манометров с трубкой Бурдона является чувствительность к вибрации и пульсации давления, которые могут вызвать преждевременный износ механизма и неустойчивое поведение указателя. Манометры, заполненные жидкостью (корпус которых заполнен глицерином или силиконовым маслом), эффективно устраняют это ограничение, амортизируя внутреннее движение и смазывая зубчатый механизм.

Мембранные манометры

В мембранных манометрах в качестве чувствительного элемента вместо изогнутой трубки используется гибкая мембрана. Когда к одной стороне диафрагмы прикладывается давление, она отклоняется, и это отклонение преобразуется в движение указателя посредством механической связи. Конструкция диафрагмы делает эти манометры особенно подходящими для измерения низких давлений, которые находятся за пределами практического диапазона приборов с трубкой Бурдона, обычно от нескольких миллибар до примерно 40 бар. Поскольку чувствительный элемент представляет собой большую, относительно плоскую поверхность, мембранные манометры также более чувствительны к небольшим изменениям давления на низких диапазонах, чем манометры с трубкой Бурдона.

Одним из ключевых преимуществ мембранных манометров является их пригодность для работы с высоковязкими, загрязненными или агрессивными средами. Диафрагма может быть изготовлена ​​из нержавеющей стали, хастеллоя, тантала, металла с покрытием из ПТФЭ или других специальных материалов, устойчивых к химическому воздействию. Во многих конструкциях технологическая среда никогда не попадает в сам корпус манометра — она контактирует только с поверхностью диафрагмы, что предотвращает засорение механизма и упрощает очистку. Это делает мембранные манометры предпочтительным выбором в химической промышленности, производстве продуктов питания и напитков, фармацевтическом производстве и очистке сточных вод.

Капсульные манометры

Капсульные манометры специально разработаны для измерения очень низких давлений газов, особенно в диапазоне 0–600 мбар. Чувствительный элемент состоит из двух гофрированных металлических диафрагм, сваренных по периферии вместе и образующих герметичную капсулу. Когда давление прикладывается к внешней стороне капсулы, две диафрагмы прижимаются друг к другу, создавая точное механическое смещение. Эта конструкция чрезвычайно чувствительна и линейна в своем отклике в диапазоне низких давлений, что делает ее идеальной для систем газоснабжения, контроля давления HVAC, контроля воздуха для горения и индикации перепада давления на фильтрах в воздуховодах низкого давления.

Капсульные манометры следует использовать только с чистыми, сухими, неагрессивными газами. Они не подходят для жидких сред и чувствительны к присутствию конденсата или твердых частиц в потоке газа. При установке капсульных манометров в системах мониторинга газа настоятельно рекомендуется установить влагоуловитель или встроенный фильтр перед манометром для защиты чувствительного элемента и сохранения точности с течением времени.

Манометры дифференциального давления

Манометры дифференциального давления имеют два порта давления — сторону высокого давления и сторону низкого давления — и отображают разницу между ними. Это принципиально отличает их от приборов манометрического или абсолютного давления, которые измеряют давление в одной точке. Манометры дифференциального давления используются там, где соотношение между двумя значениями давления имеет большее эксплуатационное значение, чем каждое отдельное значение по отдельности.

Общие области применения включают мониторинг падения давления на фильтрах и сетчатых фильтрах, чтобы указать, когда необходима очистка или замена, измерение скорости потока через диафрагмы и расходомеры Вентури (где перепад давления напрямую коррелирует со скоростью потока), а также мониторинг уровня жидкости в закрытых резервуарах под давлением. Манометры дифференциального давления могут быть изготовлены с использованием мембранных, поршневых или трубчатых чувствительных элементов, в зависимости от диапазона давления и используемой среды. Их необходимо тщательно выбирать с учетом совместимости с обеими технологическими средами одновременно, поскольку оба порта могут подвергаться воздействию разных жидкостей или одной и той же жидкости в разных условиях.

Цифровые и электронные манометры

В цифровых манометрах используется электронный датчик давления — обычно пьезоэлектрический, емкостной или тензодатчиковый чувствительный элемент — для преобразования давления в электрический сигнал, который затем обрабатывается и отображается в виде числового значения на ЖК- или светодиодном экране. В отличие от механических манометров, цифровые приборы обладают рядом явных преимуществ, включая более высокую точность, возможность регистрации данных, настраиваемые выходы сигналов тревоги, выбор единиц измерения и возможность передавать показания в системы удаленного мониторинга через аналоговые или цифровые протоколы связи, такие как 4–20 мА, HART или Modbus.

Цифровые датчики все чаще используются на современных промышленных объектах, где данные процесса необходимо интегрировать в SCADA или распределенные системы управления. Они также полезны при калибровке и тестировании, где разрешение и точность механического датчика недостаточны. Основными недостатками являются их зависимость от батареи или внешнего источника питания, их потенциальная уязвимость к электромагнитным помехам и более высокая первоначальная стоимость по сравнению с механическими альтернативами. В критически важных для безопасности приложениях механический резервный манометр часто устанавливается рядом с цифровым прибором, чтобы обеспечить надежную визуальную индикацию в случае сбоя питания.

Сравнение основных типов манометров

Выбор правильного типа манометра начинается с сопоставления конструктивных характеристик прибора с конкретными требованиями применения. В таблице ниже представлено практическое сравнение основных типов датчиков по ключевым критериям выбора:

Специализированные типы манометров для конкретных применений

Помимо основных категорий, несколько специальных типов манометров предназначены для сложных или необычных условий эксплуатации, в которых стандартные инструменты выходят из строя или работают неадекватно.

Датчики высокой чистоты и санитарные приборы

В фармацевтической, биотехнологической и пищевой промышленности стандартные конструкции манометров неприемлемы, поскольку они содержат щели, мертвые зоны и негигиеничные материалы, которые содержат бактерии и препятствуют эффективной очистке. Санитарные манометры имеют заподлицо с торцами мембраны, полированными внутренними поверхностями и соединениями, которые соответствуют гигиеническим стандартам 3-A или EHEDG. Все детали, контактирующие с рабочей средой, изготовлены из нержавеющей стали 316L с определенными значениями шероховатости поверхности, обычно Ra ≤ 0,8 мкм, что обеспечивает полную возможность очистки в рамках процедур CIP (очистка на месте) и SIP (стерилизация на месте).

Манометры высокого и сверхвысокого давления

Такие приложения, как гидравлические испытания, гидроабразивная резка, химические реакторы высокого давления и системы сжатия газа, требуют манометров, рассчитанных на экстремальное давление, превышающее 1000 бар и более. В этих приборах используются спиральные трубки Бурдона — плотно скрученная пружинная трубка, которая обеспечивает несколько оборотов отклонения для большей точности на высоких диапазонах — в сочетании с прочными корпусами из нержавеющей стали и специализированными технологическими соединениями высокого давления, такими как конус и раструб или фитинги среднего давления. Защитные конструкции с противовыбросовыми задними панелями обязательны в установках с манометрами высокого давления для защиты операторов в случае разрыва трубки.

Приборы для испытаний и калибровки

Манометры — это прецизионные приборы с классом точности 0,25% или выше, используемые для проверки показаний установленных технологических манометров, калибровки приборов и проведения приемочных испытаний систем давления. Они имеют большой диаметр циферблата — обычно 150 мм или 250 мм — для обеспечения точной интерполяции указателя, циферблаты с зеркальной полосой для устранения ошибки чтения параллакса и регулируемые механизмы указателя. Когда они не используются, контрольные манометры следует хранить в защитных футлярах и регулярно калибровать по прослеживаемым стандартам для поддержания заявленной точности.

Ключевые факторы при выборе правильного манометра

Выбор правильного манометра из множества доступных типов требует оценки нескольких взаимозависимых факторов. Поспешное принятие решения часто приводит к преждевременному выходу прибора из строя, неточным показаниям или угрозе безопасности. Следующий контрольный список охватывает наиболее важные критерии выбора:

• Диапазон давления: Нормальное рабочее давление системы должно находиться в пределах от 25% до 75% полного диапазона шкалы манометра. Постоянная работа в верхней части шкалы ускоряет утомление чувствительного элемента, а слишком широкий диапазон снижает читаемость и точность в нормальных условиях эксплуатации.
• Совместимость с носителями: Все смачиваемые материалы — трубка, муфта и любые внутренние компоненты — должны быть химически совместимы с технологической жидкостью или газом. Ознакомьтесь с таблицей химической стойкости и укажите правильную марку материала для каждого применения, чтобы предотвратить отказы, связанные с коррозией.
• Температура процесса: Повышенные температуры процесса влияют на точность измерения и могут повредить чувствительный элемент. Для сред с температурой выше 60°C следует использовать сифонную трубку (для пара), охлаждающий элемент или узел выносного мембранного разделителя для защиты корпуса манометра от теплового воздействия.
• Вибрация и пульсация: Системы с насосами, компрессорами или высокочастотными колебаниями давления требуют либо манометров, заполненных жидкостью, либо установки демпфера (демпфера пульсаций) во входном соединении манометра для защиты механизма от быстрой циклической нагрузки.
• Рейтинг защиты окружающей среды: Датчики, установленные на открытом воздухе или во влажной, пыльной или химически агрессивной среде, должны иметь соответствующий класс защиты IP (защита от проникновения). Для наружной установки обычно требуется степень защиты IP65 или выше, чтобы предотвратить попадание влаги и загрязнений в корпус.
• Класс точности: Требуемый класс точности зависит от критичности измерения. Для общего промышленного мониторинга обычно требуется класс точности 1,6% или 2,5%, тогда как для приложений управления технологическими процессами может потребоваться класс точности 1,0% или выше. Критически важные для безопасности и калибровочные приложения требуют приборов класса точности от 0,25% до 0,6%.

Практика установки и обслуживания, обеспечивающая защиту показателей прибора

Даже самый лучший манометр будет работать неэффективно или преждевременно выйдет из строя, если его неправильно установить или пренебрегать эксплуатацией. Манометр всегда следует устанавливать в вертикальном положении, где это возможно, поскольку наклон или перевернутая установка влияет на баланс указателя, а в манометрах, заполненных жидкостью, может вызвать утечку жидкости из корпуса. Технологические соединения следует выполнять с использованием герметика для резьбы, подходящего для среды. Широко используется лента из ПТФЭ, но ее не следует наносить на первую резьбу, чтобы предотвратить попадание фрагментов во входное отверстие манометра. Ручной запорный клапан, установленный между технологической линией и манометром, позволяет изолировать манометр для замены или калибровки, не прерывая работу системы.

Регулярный осмотр установленных манометров должен проверять на предмет дрейфа указателя, трещин на циферблате, утечек в корпусе и коррозии технологического соединения. Датчики, показывающие постоянную ошибку смещения, следует откалибровать или заменить. В приложениях, критически важных для безопасности, формальный график калибровки и замены манометров — обычно на ежегодной основе или в соответствии с оценкой риска — должен быть задокументирован и строго соблюдаться. Понимание различных типов доступных манометров и применение правильных методов выбора, установки и обслуживания гарантирует, что измерение давления останется точным, надежным и безопасным на протяжении всего срока службы любой системы, находящейся под давлением.