какое давление показывает вакуумметр
Виды давления. Абсолютное, избыточное и вакууметрическое давление
В самых разнообразных областях техники и науки, в самых разных технических приборах и сооружениях требуется проводить измерения давления жидкостей или газов. В зависимости от назначения инженеры должны иметь возможность проводить измерения давления и использовать соответствующие единицы для точного отображения этих показаний, а также уметь правильно или оперировать.
Единицы измерения давления
Абсолютное значение
Абсолютное давление ─ это истинное давление жидкостей, паров или газов, которое отсчитывается от абсолютного нуля давления (абсолютного вакуума).
Избыточное давление
Разность между абсолютным давлением p и атмосферным давлением pа называется избыточным давлением и обозначается ризб:
hп в этом случае называется пьезометрической высотой, которая является мерой избыточного давления.
На рисунке показан закрытый резервуар с жидкостью, на поверхности которой давление p0. Подключенный к резервуару пьезометр П (см. рис. ниже) определяет избыточное давление в точке А.
Абсолютное и избыточное давления, выраженные в атмосферах, обозначаются соответственно ата и ати.
Вакууметрическое давление
Вакуумметрическое давление, или вакуум, — недостаток давления до атмосферного (дефицит давления), т. е. разность между атмосферным или барометрическим и абсолютным давлением:
где hвак — вакуумметрическая высота, т. е. показание вакуумметра В, подключенного к резервуару, показанному на рисунке ниже. Вакуум выражается в тех же единицах, что и давление, а также в долях или процентах атмосферы.
Из выражений последних двух выражений следует, что вакуум может изменяться от нуля до атмосферного давления; максимальное значение hвак при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) равно 10,33 м вод. ст.
Инфографика для лучшего запоминания и понимания.
Вильнер Я.М. Справочное пособие по гидравлике, гидромашинам и гидроприводам.
Методы измерения вакуума — вакуумметры
Методы измерения вакуума — вакуумметры
Наиболее важной характеристикой газовой среды в вакуумной технике является плотность или молекулярная концентрация газа. Эта величина определяет теплоперенос, сорбционно-десорбционные процессы, воздействие газа на элементы электронных приборов и другие явления. Однако традиционно состояние газа оценивается давлением. Между давлением газа p и молекулярной концентрацией п существует связь: p-V = n ■ k — T
По принципу действия вакуумметры можно свести в следующие классы:
По методу измерения вакуумметры могут быть разделены на абсолютные и относительные.
Абсолютные вакуумметры измеряют непосредственно давление газа, т.е. силу, действующую на единицу поверхности измерительного элемента. Показания абсолютных приборов не зависят от рода газа. К вакуумметрам прямого действия относятся жидкостные, компрессионные и деформационные. Эти приборы перекрывают диапазон от 10 5 до 10 ’2 Па.
Относительные вакуумметры измеряют не само давление, а используют зависимость параметров некоторых физических процессов, протекающих в вакууме, от давления. Они нуждаются в градуировке. Вакуумметры измеряют общее давление газов, присутствующих в вакуумной системе.
К вакуумметрам косвенного действия относят
ся тепловые и ионизационные, которые перекрывают диапазон измеряемых давлений от атмосферного до 10 ’ 10 Па. Большинство вакуумметров состоит из двух элементов: манометрического преобразователя сигнала давления в электрический сигнал и измерительного блока.
В производственных условиях преимущественно используются вакуумметры косвенного действия, которые практически безынерционны, охватывают широкий диапазон давлений и просты в эксплуатации.
Тепловые вакуумметры
Принцип действия термопарных вакуумметров основан на зависимости теплопроводности разреженных газов от молекулярной концентрации (или давления). Передача теплоты происходит от тонкой металлической нити к баллону, находящемуся при комнатной температуре. Металлическая нить нагревается в вакууме путем пропускания электрического тока.
Из курса молекулярной физики известно, что в плотном газе (высокое давление) теплопроводность не зависит от давления.
При понижении давления уменьшается теплопроводность газа, соответственно, возрастает температура подогревателя и увеличивается термо-э.д.с. При низких давлениях, когда средняя длина свободно пробега молекул больше среднего расстояния между нагретым телом и стенками вакуумметра ( А^ d), теплопроводность газа пропорциональна молекулярной концентрации (давлению).
Преобразователь (рис. 23) представляет собой стеклянный или металлический корпус, в котором на двух вводах смонтирован подогрева
тель, на двух других вводах крепится термопара, изготовленная из хро-мель-копеля или хромель-алюмеля. Термопара соединена с подогревателем, который нагревается током, его можно регулировать реостатом и измерять миллиамперметром. Спай термопары, нагреваемый подогревателем, является источником термо-э.д.с., значение которой показывает милливольтметр.
Точность измерения давления термопарным вакуумметром существенно зависит от правильного подбора тока накала подогревателя. Калибровка термопарной лампы (установка тока подогревателя), подбирается таким образом, чтобы стрелка милливольтметра точно совпадала с последним делением шкалы. При этих условиях согласно градуировочной кривой термопарного манометрического преобразователя можно по показаниям милливольтметра определить давление в вакуумной системе.
Измерительное уравнение теплового преобразователя можно записать так:
Из уравнения (1.19) видно, что давление является функцией двух переменных: тока накала нити 1н и температуры нити ТН.
Преимуществом тепловых преобразователей является то, что они измеряют общее давление всех газов и паров, присутствующих в ваку-
Существенным недостатком тепловых вакуумметров является изменение тока накала нити с течением времени, что требует периодической проверки тока накала. Недостатком также можно считать и их относительную инерционность, т.е. задержку отсчета во времени при быстром изменении давления. Существенное влияние на погрешность измерения тепловыми вакуумметрами оказывает колебание температуры окружающей среды.
Электронные ионизационные вакуумметры.
Принцип действия электронных преобразователей основан на ионизации газа электронами и измерении ионного тока, по величине которого судят о давлении.
Ионизация молекул газа производится электронами, эмитируемыми термокатодом и ускоряемыми электрическим полем электрода, на который подается положительный потенциал относительно катода.
1 коллектора. Таким образом, для измерения давления достаточно при заданном электронном токе измерить ионный ток и разделить на постоянную преобразователя.
Чувствительность ионизационных вакуумметров зависит от свойств газа, его температуры, электрического режима и геометрии, то есть
Часть электронов пролетает в пространство между анодной сеткой и коллектором. Так как коллектор имеет отрицательный потенциал отУдельная ионизация зависит от рода газа. Поэтому вакуумметр должен градуироваться отдельно для каждого газа.
Магнитные электроразрядные вакуумметры
Одним из путей, позволяющим сдвинуть границу измерения в сторону более низких давлений, может быть увеличение чувствительности манометра. Для этого необходимо, чтобы электроны проходили в пространстве ионизации по возможности большие расстояния до момента их попадания на коллектор электронов. Тогда вероятность ионизации молекул газа этими электронами значительно возрастает, что приведет к увеличению чувствительности манометра. Наиболее простым способом увеличения длины пути электронов в пространстве ионизации является использование магнитного поля, воздействующего на электроны.
Рассмотрим расположение электродов, предложенное Пеннингом. Принцип действия магнитных преобразователей основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда в скрещенных магнитном и электрическом полях от давления. Электродные системы, обеспечивающие поддержание самостоятельного газового разряда при высоком и сверхвысоком вакууме, бывают нескольких видов.
Манометр имеет катод, которым является корпус 1, и анод в виде металлического кольца 2. Вдоль оси анода создается постоянным магнитом 3 магнитное поле с индукцией 0,05-0,2 Тл. Через балластный резистор на анод подается высокое положительное напряжение порядка 2,5-3 кВ.
Разряд поддерживается между анодом и катодами, соединенными электрически и расположенными по обе стороны от анода. Равномерное магнитное поле, параллельное оси системы, препятствует немедленному уходу на анод электронов. Из-за большой длины пути электрона сильно повышается вероятность ионизации даже при низких давлениях газа. Образующиеся в результате ионизации молекул электроны движутся, как и первичные электроны, тоже по спиральным траекториям и в конце концов после совершения актов ионизации попадают на анод. Вторичные электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, также участвуют в поддержании разряда. Таким образом, благодаря магнитному полю и специальной конструкции электродов тлеющий разряд поддерживается даже тогда, когда средняя длина свободного пути электронов в газе во много раз превышает расстояние между анодом и катодом, что позволяет измерять низкие и сверхнизкие давления газа.
Недостатки: данные вакуумметры имеют меньшую точность измерения давления, нуждаются в периодической чистке.
Достоинства — простота конструкции и отсутствие горячего катода. Из-за этого вакуумметры могут быть включены при любом давлении.
Диагностика двигателя с помощью вакуумметра
Диагностика двигателя с помощью вакуумметра
Одно из средств ранней диагностики, вакуумметр*, сохраняет свою эффективность для выявления технических неисправностей двигателя. Он так же может быть заменен электронным преобразователем давления.
*Вакуумметр – это тот же манометр, измеряющий отрицательное давление внутри какого-то объема, т.е. насколько давление внутри этого объема меньше атмосферного для данной местности в момент измерения, иными словами вакуумметрическое давление. Автор использует термин «вакуум», прекрасно понимая, что никакой это не вакуум, а скорее разрежение. Я буду придерживаться того же. Далее, выделенное курсивом будет означать мою «отсебятину».
Неужели до сих пор находится применение вакуумметрам? Сегодня полно двигателей, которые могут никогда не потребовать регулировки клапанов, которые сами регулируют зажигание, контролируют условия пропусков зажигания и сами корректируют подачу топлива при незначительном падении вакуума (при появлении подсоса воздуха во впускном тракте). Тем не менее, типичная топливная система, контролируемая компьютером, все еще сильно зависит от состояния двигателя и наличия сильных (различимых), надежных вакуумных управляющих сигналов.
Вот почему значения уровня вакуума сегодня важны как никогда. К тому же измерение вакуума с помощью вакуумметра оказывается самым быстрым и самым простым тестом. Не нужно искать специальных переходников для топливного расходомера как, например, для различных тестов по измерению давления топлива. Не нужно выворачивать свечи как при измерении компрессии. Надо просто найти подходящее место для подключения вакуумметра к впускному тракту и подключить его.
Когда мы измеряем давление во впускном тракте, на самом деле мы сравниваем давление внутри впускного тракта с атмосферным давлением снаружи впускного тракта. Разница этих давлений и является причиной поступления воздуха и топлива в камеру сгорания. Мы будем называть меньшее давление внутри впускного коллектора «вакуумом».
Величина созданного в тракте вакуума зависит от оборотов двигателя и положения дроссельной заслонки. Если отключить подачу топлива и зажигание, и затем начать вращать двигатель стартером, то во впускном тракте начнет создаваться вакуум. Чем быстрее вращается двигатель, тем больший вакуум будет создаваться, но до тех пор, пока дроссельная заслонка будет создавать собой препятствие, оставаясь закрытой. Как только заслонка откроется, вакуум будет уменьшаться, но только если скорость вращения будет оставаться постоянной. Перед тем как идти дальше, важно понять эту основную концепцию.
Вероятно, вы уже слышали об использовании вакуумметра для проверки вакуума при запуске. Это полезный тест, т.к. свечи и топливо в процессе не участвуют и, таким образом, мы видим только механическое состояние двигателя. Без топлива и зажигания, понятие вакуума является самым простым для понимания. Оно зависит только от механического состояния двигателя, если мы знаем обороты и положение дроссельной заслонки (ДЗ).
Назовем измерение вакуума при принудительном вращении двигателя стартером при отключенной подаче топлива и зажигании «пусковым тестом», а показания вакуумметра «пусковым вакуумом».
Все усложняется, если мы включаем в процесс подачу топлива и зажигание, т.к.
они напрямую влияют на обороты двигателя. Например, если два одинаковых
двигателя работают при одинаковом положении ДЗ, то обеднение смеси приведет
к более медленному вращению одного из двигателей по сравнению с другим
двигателем, работающем на правильной смеси. Для выравнивания оборотов придется приоткрыть ДЗ первого (медленного) двигателя (уменьшая сопротивление поступающему воздуху), что приведет к снижению вакуума и соответственно показаний вакуумметра.
Таким образом, по вакууму можно достоверно оценить насколько хорошо работает двигатель. Чем выше вакуум при определенных оборотах и открытой заслонке, тем лучше работает двигатель. Понятно, что маленький (низкий по абсолютному значению) вакуум свидетельствует о наличии проблемы, но с чего начать поиск? На самом деле причина низкого вакуума может быть в чем угодно, включая зажигание, подачу топлива или свидетельствовать о механических проблемах.
Ниже мы поговорим об интерпретации показаний вакуумметра при различных тестах и идентификации заболеваний двигателя. Каждый нюанс, который влияет на вакуум, оставляет уникальный след.
Измерение вакуума с помощью вакуумметра
Трудно все запомнить?
Если Вы не обладаете фотографической памятью, запомнить все возможные комбинации показаний вакуумметра и причины их вызвавшие практически невозможно. Для упрощения, мы свели все испытания с помощью вакуумметра к их простым основам. Два следующих простых теста определят наличие хорошего вакуума до того как приступить к следующим проверкам.
1. Пусковой вакуум
2. Показания вакуумметра на прогретом, работающем на холостом ходу двигателе, при частично открытой дроссельной заслонке, без нагрузки на 2000 и 3000 об/мин и во время снижения оборотов с максимума при резком закрытии заслонки.
Во-первых, проверьте пусковой вакуум (обычно проводят на двигателе с отключенными подачей топлива и зажиганием). Подсоедините вакуумметр к источнику вакуума во впускном коллекторе. Убедитесь, что заслонка закрыта и двигатель вращается стартером с нормальной скоростью. Пусковой вакуум должен находиться в пределах по меньшей мере от 0.1 до 0.2 кгс/см2 (3-6 inch Hg).
Во-вторых, проверьте вакуум на прогретом двигателе на холостом ходу, при частично открытой ДЗ и при сбросе газа.
Сначала измерьте вакуум во впускном коллекторе на холостом ходу. Показания вакуумметра должны быть стабильными и находиться в пределах 0.6-0.7 кгс/см2 (17-21 inch Hg).
Теперь увеличьте обороты до примерно 2000 об/мин. Удерживайте их постоянными и наблюдайте за показаниями. После начального уменьшения показаний при открытии дроссельной заслонки они должны вернуться к уровню вакуума ХХ, зафиксированному на предыдущем тесте, или близкому к нему. Некоторые EGR клапана срабатывают без нагрузки. Если вы увидите небольшое снижение вакуума во время теста с неизменным положением дроссельной заслонки, отключите EGR и проведите замеры снова.
Проведите измерения на 3000 об/мин, вы должны получить аналогичный результат.
Позвольте заслонке резко закрыться от ранее резко открытого положения. Показания вакуумметра должны резко увеличиться до более высоких значений, чем получены на холостом ходу, и составить 0.67-0.85 кгс/см2 (20-25 inch Hg), затем медленно опуститься по мере снижения оборотов двигателя. Стрелка вакуумметра должна вернуться на прежнее место, соответствующее показаниям при холостом ходе, полученным в начале этого теста, и оставаться в этом положении.
Если двигатель прошел эти тесты, то все говорит о том, что с механической точки зрения он в порядке — по-крайней мере достаточно исправный, чтобы прокачивать воздух на ХХ, частично открытой ДЗ и сбросе оборотов.
Стабильные показания вакуумметра в диапазоне 0.6-0.7 кгс/см2 (17-21 inch Hg) на холостом ходу — это есть гуд. Показания вакуумметра должны стабилизироваться на этом уровне или более высоком при удержании заслонки в частично открытом положении. Двигатель не смог бы этого сделать, если бы имел одну или две сломанные пружины. И синхронизация клапанов/поршней должна быть правильной, иначе двигатель не смог бы поддерживать прокачку на более высоких оборотах. И наконец, внутренние детали двигателя (клапана и поршневые кольца) должны обеспечивать достаточно хорошую герметичность, чтобы поднять вакуум при сбросе оборотов.
Если вы получили «правильные» показания вакуумметра, а двигатель не работает хорошо, поищите неисправность еще где-либо, например, проверьте давление топлива, вторичное искрообразование и содержание выхлопных газов. Если получены «неправильные» показания, вот Ваши варианты:
Если пусковой вакуум низкий, или ноль, поищите основную проблему, например, заклинивание распредвала или большой подсос воздуха.
Если вакуум холостого хода низкий, но стабильный, проверьте сначала ГРМ.
Объяснения показаниям вакуумметра, которые окажутся внутри указанных пределов, найдете в начале этой статьи, что поможет Вам идентифицировать результаты.
Самое главное преимущество вакуумметра — это его способность выявить проблемы, связанные с низким вакуумом. Другие тесты, такие как баланс мощности, four gas, вторичное зажигание и проверка давления топлива, также помогут Вам локализовать неисправности.
Вакуумметры – это приборы, которые служат в целях замеров давления различных сред, содержащих газ и вакуума, находящихся в безвоздушной среде. Приборы были созданы во время эпохи Возрождения. Второе название– вакуумный манометр.
Каждый из приборов различается между собой по множеству параметров.
Существует множество вариантов вакуумметров, которые различаются между собой:
Классические варианты – это стандартный манометр, который может использоваться для измерения малых и сверхмалых показателей давления. В жидкостных приборах в составе измерительной части расположено масло, которое обладает заранее известной плотностью, а также минимальным уровнем давления пара и конденсата, что позволяет не допускать нарушения безвоздушной среды. Манометры и вакуумметры, которые работают благодаря изменению характеристики жидкостей, подвергаются изоляции за счет использования ловушек, состоящих из замороженного азота, и служат для заморозки паров основного вещества. Классические вакуумметры могут замерять давление в пределах от 10 до 100 тысяч Паскалей.
Емкостные приборы являются подвидом манометра, принцип их работы основывается на изменении показателя емкости конденсатора при несущественном изменении расстояния между компонентами. При этом обкладка производится как гибкая мембрана. Когда наблюдается скачок давления, одна из мембран может отклониться, что, в свою очередь, приведет к изменению показателя емкости конденсатора. После окончания градуировки можно применять данные приборы для замера давлений. Они также могут использоваться для замера более узкого давления, нежели классические виды. Однако их точность выше.
Терморезисторные приборы представляют собой измерительное оборудование, которое работает в мостовой схеме. В подобных системах обычно есть тенденция к постоянному сопротивлению и, следовательно, из-за особенностей полупроводников, поддержанию температуры. При этом, чем больше давление газов в системе, тем более высокая мощность держится на терморезисторе, чтобы сохранять стабильные показатели температуры. Поэтому между показателями давления и напряжения есть прямая зависимость.
Частным случаем подобных приборов является вакуумметр Пирани, в котором в качестве терморезистора выступает нить платины. На текущий момент представлено множество датчиков подобного типа. Приборы используются для замера давления от 0,01 до 760 мм. рт. ст.
Термопарные вакуумметры – это приборы, принцип действия которых основывается на охлаждении благодаря теплопроводности. При этом термопара (прибор для изменения температуры) постоянно соединена с подогреваемым проводом. При этом, чем более высокий вакуум, тем ниже показатель теплопроводности среды, что приводит к повышению температуры проводника.
Ионизационные приборы функционируют благодаря способности газов ионизироваться. Фактически, измерительное оборудование данного прибора – это вакуумный диод, на положительный выход которого подается положительный вольтаж, а на коллектор − существенный отрицательный. В случае понижения уровня давления существенно сокращается количество атомов, которые могут подвергаться ионизации, что приводит к понижению уровня ионизационного тока, текущего между выходами диода при подключенном напряжении. При этом приборы отлично подходят для измерения давления в глубоком и сверхглубоком вакууме, что позволяет использовать их для проверки уровня давления в различных системах, требующих высокой точности измерения.
Альфатроны представляют собой подвид ионизационного вакуумметра. В первую очередь они отличаются использованием не электронов для процесса ионизации газа. С этой целью применяются альфа-частицы, которые обладают меньшей энергии. Подобные приборы отличаются повышенной надежностью, по сравнению со стандартными ионизационными, однако требуют крайне сложную схему, которая требуется для замеров минимальных токов, что делает подобные приборы дорогими, но очень эффективными.
Вакуумметры состоят из двух основных модулей. Первая часть требуется для перевода в электрический сигнал данных, полученных от сенсора или блока для измерений. Второй компонент данного прибора обеспечивает оценку сигнала и предоставляет пересчет показателя давления в условные единицы и выводит данные на дисплей.
Вакуумметры ТВ С – это достаточно простые приборы, которые позволяют обеспечить высокую точность измерений. Измерительный блок вакуумметра представляет собой часть прибора, которая используется для выработки сигнала или измерительной информации. Это может быть как степень электризации прибора, так и другие параметры, а также способна проинформировать владельца о том, насколько высоки показатели давления в измеряемой среде.
Вакуумметры образцовые
Вакуумметры образцовые представляют собой приборы, которые имеют встроенную шкалу с различными видами пометок. Данные приборы обладают высокой точностью измерений и предназначены для тестирования манометров и вакуумметров.
Приборы могут иметь различные показатели точности:
Современные вакуумметры могут повлиять на следующие процессы:
Вакуумметры цифровые ВИТ, Мерадат
Цифровые вакуумметры предназначаются для замеров стандартного и вакуумметрического давления в средах, которые не содержат агрессивных газов и жидкостей, а также для быстрого преобразования полученных данных в понятный формат благодаря удобному дисплею.
Вакуумметры цифровые ВИТ, Мерадат
Цифровые изделия обладают полноценными интерфейсами, которые предназначены для использования в системах, нуждающихся в высокой точности измерений, чтобы обеспечить постоянные метрологические характеристики. Приборы могут использоваться в полноценных автоматизированных системах, реагирующих на изменение давления.
Среди наиболее известных производителей вакуумметров можно выделить компании ВИТ и Мерадат. Вакуумметры цифровые имеют высокую точность измерений, а также позволяют получить данные на электронном дисплее, что с имеющейся точностью дает возможность определить уровень давления.
Вакуумметры Мерадат Э производятся двух основных видов:
Вакуумметры Вит Э в основном относятся к ионизационно-термопарной технологии. Они могут применяться для замеров давления от 0,0001 до 30 Паскалей. При этом компания производит широкий спектр продукции, которая подойдет для решения большинства задач. Современные вакуумметры компании ВИТ адаптированы для использования в условиях производства. Поэтому есть возможность получить результат несколькими различными методами. Данные могут быть получены на дисплей при помощи кабелей, которые подключаются к компьютеру, а затем отображаться на экране.
Кроме того, компания ВИТ производит и стрелочные вакуумметры, в которых данные с экрана считываются с учетом передвижения стрелки по градуированной шкале. Вакуумметры производятся из качественного металла.
Приборы могут использоваться в комплексе со специальными преобразователями. Вакуумметры от компании ВИТ являются наиболее распространенными.
Вакуумметры стрелочные
Стрелочные вакуумметры являются более старой версией данного прибора. Хотя на современном рынке присутствует множество электронных изделий, которые отличаются высокой точностью измерения, а также возможностью установить уровень давления.
Однако, стрелочные вакуумметры могут использоваться в более широких сферах, что обуславливает их распространенность. Приборы отлично работают не только с низким и средним, но и со сверхвысоким вакуумом.
Кроме того, стрелочные измерители отличаются высокой надежностью и стабильностью работы. Данные аспекты являются наиболее важными в рабочем процессе.
Вакуумметр Пирани
Вакуумметры Пирани С – это оборудование, которое может использоваться для замера показателей манометрического давления в различных средах. Датчик был изобретен немецким физиком в начале ХХ века. Прибор функционирует благодаря тому, что при снижении показателя давления, температурная отдача платиновой проволоки начинает убывать, а сопротивление металлического изделия повышаться.
Вакуумметры данного типа включают тонкую платиновую нить, которая конструктивно соединяется с трубой, подключаемой к замеряемой системе. Данная нить напрямую контактирует и источником энергии. Сам прибор подключается в системе, после предварительной калибровки.
Вакуумметры Пирани отличаются высокой точностью, что обеспечивает данным приборам возможность использовать даже для глубокого вакуума. Несмотря на высокую цену, подобные приборы являются лучшим выбором для множества систем.