Вакуумметры показывающие: принципы работы, типы, применение и выбор для электротехнических систем
Показывающие вакуумметры (индикаторы вакуума) являются критически важными контрольно-измерительными приборами в энергетике и электротехнической промышленности, где контроль давления (разрежения) является ключевым параметром для обеспечения безопасности и эффективности процессов. Их основная функция – непрерывная визуализация уровня вакуума в системе посредством аналоговой шкалы со стрелочным указателем. В отличие от регистрирующих или сигнализирующих приборов, они предоставляют оперативный визуальный контроль, что позволяет персоналу мгновенно оценивать состояние системы, например, в высоковольтных выключателях, вакуумных печах, системах конденсации турбин.
Принцип действия и конструктивные особенности
Показывающие вакуумметры преобразуют измеряемое давление (разрежение) в механическое перемещение указательной стрелки. Конструктивно они состоят из чувствительного элемента, преобразовательного механизма, отсчетного устройства (шкалы и стрелки) и корпуса. Точность измерений и диапазон напрямую зависят от типа используемого чувствительного элемента.
Классификация показывающих вакуумметров по принципу измерения
1. Деформационные вакуумметры
Наиболее распространенный тип для промышленного применения в энергетике. Принцип действия основан на измерении деформации упругого чувствительного элемента под действием разности давлений.
- Манометрические трубчатые пружины (трубка Бурдона): Используются в широком диапазоне от атмосферного давления до 0.1 Па. Изогнутая или закрученная трубка с овальным сечением стремится распрямиться при приложении вакуума. Движение запаянного конца через передаточный механизм преобразуется в движение стрелки. Отличаются простотой, надежностью и устойчивостью к перегрузкам.
- Сильфонные манометры: Чувствительным элементом является сильфон – тонкостенная гофрированная коробка. Вакуум вызывает ее сжатие, которое через рычажную систему передается на стрелку. Обеспечивают более высокую чувствительность в узких диапазонах по сравнению с трубкой Бурдона.
- Мембранные манометры: Используют упругую мембрану, которая прогибается под действием разности давлений. Часто используются в составе датчиков-реле вакуума, совмещающих индикацию и функцию коммутации.
- Диапазон измерений: Должен перекрывать рабочий и аварийный диапазон давлений в системе. Важно учитывать как верхний, так и нижний предел.
- Класс точности: Определяет допустимую погрешность в процентах от диапазона измерения. Для технологического контроля в энергетике обычно достаточно классов 1.0-2.5.
- Диаметр корпуса (штуцера): Стандартные размеры: 50, 63, 80, 100, 150, 160 мм. Выбор зависит от места установки и требуемой читаемости.
- Присоединение: Тип и размер резьбы (например, G1/2″, M20x1.5, фланец) или фланцевое соединение. Должно соответствовать посадочному месту на оборудовании.
- Рабочая среда: Материалы измерительного блока (латунь, нержавеющая сталь) и уплотнений (фторкаучук, витон) должны быть совместимы с измеряемой средой (воздух, масляные пары, элегаз SF6).
- Рабочее положение: Некоторые приборы, особенно жидкостные и деформационные, требуют строго вертикального или горизонтального монтажа.
- Климатическое исполнение и степень защиты (IP): Для работы в условиях подстанций или цехов важна защита от пыли и влаги (например, IP54).
- Вакуумные выключатели (ВВ): Показывающий вакуумметр, установленный на полюсе выключателя, является основным инструментом для диагностики состояния вакуумной дугогасительной камеры (ДК). Постоянный контроль давления (разрежения) внутри камеры позволяет прогнозировать отказ и планировать техническое обслуживание. Падение вакуума ниже допустимого уровня (обычно ~10⁻² Па) указывает на разгерметизацию камеры и недопустимость эксплуатации аппарата.
- Конденсационные установки паровых турбин: Вакуум в конденсаторе напрямую влияет на КПД турбоустановки. Показывающие вакуумметры, установленные на линии откачки воздуха, предоставляют оперативный параметр для регулирования работы эжекторов или вакуумных насосов.
- Оборудование для вакуумной пропитки обмоток: В производстве и ремонте электрических машин (трансформаторов, двигателей) используется вакуумная пропитка. Контроль глубины и скорости откачки вакуума в пропиточной емкости критически важен для качества процесса и осуществляется с помощью показывающих вакуумметров, часто комбинированных с сигнализаторами.
- Вакуумные печи и сушильные шкафы: Контроль остаточного давления необходим для обеспечения заданных технологических режимов сушки или термообработки изоляционных материалов и металлических деталей.
2. Термические (тепловые) вакуумметры
Применяются для измерения низкого и среднего вакуума (от 10 до 100000 Па). Принцип основан на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления. Внутри датчика находится нагревательная нить. При изменении давления меняется скорость отвода тепла от нити газом, что приводит к изменению ее температуры и, соответственно, электрического сопротивления. Это изменение регистрируется мостовой схемой и преобразуется в отклонение стрелки на аналоговом индикаторе (милливольтметре). Основные типы: термопарные и пирани.
3. Ионизационные вакуумметры
Используются для контроля высокого и сверхвысокого вакуума (ниже 0.1 Па). Принцип действия основан на ионизации молекул остаточного газа и измерении возникающего ионного тока, пропорционального давлению. В показывающих приборах ионный ток усиливается и подается на аналоговый стрелочный индикатор. Такие вакуумметры требуют источника высокого напряжения и, как правило, более сложны в эксплуатации, чем деформационные.
Сравнительная таблица типов показывающих вакуумметров
| Тип вакуумметра | Диапазон измерений (приблизительный) | Принцип действия | Основные области применения в энергетике | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|---|---|
| Деформационный (Трубка Бурдона) | 1000 – 0.1 Па (10 – 10⁻³ мбар) | Деформация упругой трубки | Контроль вакуума в выключателях, системах конденсации, общее технологическое оборудование | Простота, надежность, независимость от состава газа, не требует питания | Ограниченная чувствительность в низком вакууме, механический износ |
| Термический (Пирани) | 100000 – 0.1 Па (1000 – 10⁻³ мбар) | Зависимость теплопроводности газа от давления | Контроль вакуума в турбогенераторах, вакуумных печах для пропитки, сушки | Широкий диапазон, электронный выход сигнала | Зависимость от состава газа, необходимость источника питания, инерционность |
| Ионизационный (например, с холодным катодом) | 1 – 10⁻⁷ Па (10⁻² – 10⁻⁹ мбар) | Ионизация газа и измерение ионного тока | Контроль глубокого вакуума в исследовательских установках, ускорителях частиц | Измерение очень низких давлений, быстрый отклик | Высокая стоимость, сложность, зависимость от типа газа, требует высокого напряжения |
Ключевые технические характеристики для выбора
Особенности применения в электроэнергетике
В электроэнергетике показывающие вакуумметры выполняют две основные функции: контроль технологических процессов и обеспечение безопасности оборудования.
Монтаж, эксплуатация и поверка
Правильный монтаж – залог долговечной и точной работы прибора. Штуцер вакуумметра должен соединяться с контролируемым объемом прямым коротким патрубком максимально возможного диаметра для минимизации сопротивления. Обязательна герметичность всех соединений. При измерении в средах, содержащих конденсирующиеся пары или агрессивные вещества, необходимо предусматривать установку разделительных сосудов (гидрозатворов) или конденсационных ловушек.
Эксплуатация требует периодической визуальной проверки целостности, отсутствия залипания стрелки и корректности показаний в известных точках (например, при атмосферном давлении). Показывающие вакуумметры, как средства измерения, подлежат периодической поверке в аккредитованных метрологических центрах. Межповерочный интервал (МПИ) устанавливается производителем и обычно составляет 1-2 года для ответственных применений. Поверка осуществляется с помощью эталонных вакуумметров или калибраторов давления/вакуума.
Тенденции и развитие
Несмотря на рост популярности цифровых дисплеев, аналоговые показывающие вакуумметры сохраняют свои позиции благодаря исключительной наглядности, надежности и независимости от электропитания. Современные тенденции включают в себя комбинирование аналоговой индикации с цифровыми интерфейсами (например, аналоговый выход 4-20 мА или HART-протокол) для интеграции в АСУ ТП, а также использование коррозионно-стойких материалов и улучшенных демпфирующих систем для работы в условиях вибрации, характерных для энергетического оборудования.
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Чем показывающий вакуумметр принципиально отличается от сигнализирующего?
Показывающий вакуумметр предназначен для непрерывного визуального контроля величины давления. Сигнализирующий вакуумметр (вакуумное реле) предназначен для замыкания/размыкания электрических контактов при достижении заданного порогового значения давления. Часто эти функции комбинируются в одном приборе – показывающий вакуумметр с электрической сигнализацией.
Как часто нужно поверять вакуумметр на высоковольтном выключателе?
Рекомендуемая периодичность поверки вакуумметров, используемых для диагностики вакуумных дугогасительных камер выключателей, составляет 1 раз в 2 года, если иное не указано в инструкции производителя выключателя или местных нормативных документах. После любого механического воздействия на прибор (удар, вибрация) рекомендуется внеочередная поверка.
Можно ли использовать один вакуумметр для контроля разных сред (воздух, пары масла, элегаз)?
Деформационные вакуумметры, не зависящие от состава газа, могут использоваться для разных сред при условии химической совместимости материалов манометрического блока и уплотнений. Термические и ионизационные вакуумметры требуют калибровки под конкретный тип газа, так как их показания от него зависят. При переходе на другую среду необходима перекалибровка.
Что означает падение стрелки вакуумметра на выключателе до нуля?
Если стрелка прибора, показывавшего ранее стабильный вакуум, упала до нуля (атмосферное давление), это с высокой вероятностью указывает на полную разгерметизацию вакуумной дугогасительной камеры. Эксплуатация такого выключателя категорически запрещена, так как он не сможет погасить электрическую дугу при отключении тока, что приведет к аварии. Требуется немедленное отключение и вывод аппарата в ремонт.
Как выбрать диаметр корпуса вакуумметра?
Диаметр корпуса выбирается исходя из требуемой точности считывания показаний и расстояния до оператора. Чем больше диаметр, тем длиннее шкала и тем меньше погрешность отсчета. Для щитового монтажа на удалении 1-2 метра обычно применяют приборы диаметром 100-160 мм. Для локального монтажа непосредственно на оборудовании могут использоваться компактные модели на 50-63 мм.
Почему стрелка вакуумметра может «залипать» или двигаться скачками?
Залипание или скачкообразное движение стрелки обычно свидетельствует о механической неисправности: износ или загрязнение передаточного механизма, деформация чувствительного элемента (трубки Бурдона), попадание конденсата или посторонних частиц в измерительную полость. Такой прибор нуждается в ремонте или замене и не может считаться исправным средством измерения.