Вакуумметры, измеряющие давление в диапазоне от -0.1 до 0 МПа (что эквивалентно диапазону от 0 до 760 мм рт. ст. или от 0 до 1 атмосферы в абсолютном выражении), являются ключевыми приборами для контроля разрежения (вакуума низкого и среднего уровня) в энергетике и промышленности. Данный диапазон соответствует избыточному давлению ниже атмосферного, что критически важно для множества технологических процессов. Эти приборы не измеряют глубокий вакуум (высокий и сверхвысокий), а работают в области, наиболее востребованной для эксплуатации паровых и газовых турбин, конденсационных установок, вакуумных систем насосов, сушильных камер и другого энергетического оборудования.
Измерение давления в указанном диапазоне основано на регистрации силы, создаваемой разностью между атмосферным давлением и давлением в контролируемой системе. Прибор показывает не абсолютное давление, а разряжение, то есть насколько давление в системе ниже атмосферного. Нулевая отметка (0) соответствует атмосферному давлению, а отметка -0.1 МПа (или -1 бар) — идеальному вакууму. На практике достижение полного вакуума невозможно, поэтому рабочий диапазон обычно находится между этими значениями. Точность измерения в этой области зависит от типа чувствительного элемента и принципа его работы.
В профессиональной сфере применяются несколько типов вакуумметров, различающихся по принципу действия, точности, надежности и стоимости.
Наиболее распространенный тип для эксплуатационных измерений в энергетике. Их работа основана на измерении деформации чувствительного элемента под действием перепада давления.
Конструктивно это механический вакуумметр, снабженный одной или несколькими группами электрических контактов, которые замыкаются или размыкаются при достижении стрелкой заданных уставок. Широко применяются для автоматического управления вакуумными насосами, защиты турбин от падения вакуума в конденсаторе, сигнализации.
Преобразуют давление в унифицированный электрический сигнал (аналоговый 4-20 мА, 0-10 В или цифровой). Являются основой для систем АСУ ТП.
Электронные преобразователи обеспечивают высокую точность (до 0.1% и выше), возможность дистанционного мониторинга и интеграции в цифровые системы.
Являются образцовыми или лабораторными приборами. Принцип основан на измерении высоты столба жидкости (чаще всего воды, масла или ртути), уравновешивающего измеряемое давление. Показывают абсолютное давление. В энергетике могут использоваться для поверки и калибровки эксплуатационных приборов, но неудобны для постоянного промышленного использования.
| Тип прибора | Принцип действия | Диапазон, МПа | Класс точности | Преимущества | Недостатки | Основная сфера применения в энергетике |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Трубчатый пружинный | Деформация трубки Бурдона | -0.1…0, комбинированные шкалы | 1.0; 1.5; 2.5 | Прочность, надежность, независимость от питания, низкая стоимость | Механический гистерезис, вибрационная чувствительность, необходимость визуального контроля | Локальный контроль вакуума на конденсаторах, турбинах, насосах |
| Электроконтактный | Деформация трубки/мембраны с замыканием контактов | -0.1…0 | 1.5; 2.5 | Функция автоматического управления и сигнализации | Требует подключения в электрическую цепь, контакты могут «залипать» | Защита и автоматическое управление вакуумными системами |
| Электронный преобразователь | Тензо-, емкостной, пьезорезистивный | -0.1…0 (и шире) | 0.1; 0.25; 0.5 | Высокая точность, выходной сигнал для АСУ ТП, дистанционность, стабильность | Требует питания, высокая стоимость, чувствительность к перегрузкам | Интеграция в системы АСУ ТП электростанций, точный технологический контроль |
| Жидкостный | Закон Паскаля, столб жидкости | Зависит от высоты столба | Образцовый 0.05-0.5 | Высокая точность, абсолютные показания, простота принципа | Хрупкость, громоздкость, опасность (ртуть), ручное считывание | Поверка и калибровка рабочих приборов в лабораторных условиях |
Выбор конкретного типа прибора определяется требованиями технологического процесса, условиями эксплуатации и экономической целесообразностью.
Правильный монтаж — залог долговечной и точной работы. Прибор устанавливается на отборное устройство (штуцер) напрямую или через импульсную трубку (сифонную бухту) для защиты от высоких температур, если измеряется вакуум в паровом тракте. Место установки должно быть доступно для обзора и обслуживания, защищено от прямых механических воздействий. Электроконтактные и электронные приборы требуют правильного подключения электрических цепей согласно схеме производителя.
Эксплуатация включает регулярный визуальный контроль показаний, проверку на отсутствие утечек в импульсных линиях, обнуление показаний (для некоторых электронных моделей). Механические приборы подвержены «старению» пружины, что приводит к дрейфу показаний, поэтому обязательна периодическая поверка.
Поверка вакуумметров проводится в соответствии с межповерочным интервалом (обычно 1-2 года) аккредитованными метрологическими службами с использованием эталонных установок — грузопоршневых мановакуумметров или высокоточных цифровых калибраторов давления. Электронные преобразователи часто допускают оперативную калибровку «в ноль» на месте установки при известном опорном давлении.
Мановакуумметр имеет двустороннюю шкалу и способен измерять как избыточное давление (выше атмосферного), так и разрежение (вакуум). Вакуумметр имеет одностороннюю шкалу, откалиброванную только для измерения давления ниже атмосферного (от 0 до -0.1 МПа). В энергетике, особенно на конденсационных установках, часто используют именно мановакуумметры для комплексного контроля.
Абсолютное давление (Pабс) рассчитывается как разность между атмосферным давлением (Pатм) и показанием вакуумметра (Pвак, в МПа): Pабс = Pатм + Pвак. Поскольку Pвак — отрицательное число, это фактически вычитание. Например, при атмосферном давлении 0.1 МПа (≈1 атм) и показании вакуумметра -0.085 МПа, абсолютное давление составит: 0.1 — 0.085 = 0.015 МПа абс. Часто вакуум в энергетике характеризуется именно остаточным абсолютным давлением (например, в конденсаторе турбины).
Снижение вакуума (рост абсолютного давления) в конденсаторе приводит к уменьшению перепада энтальпий пара в турбине, снижению ее мощности и КПД. Более того, это вызывает рост температуры выхлопного конца турбины, что ведет к тепловому расширению ротора и корпуса, возникновению вибраций, может стать причиной серьезной механической аварии. Поэтому контроль вакуума с помощью надежных вакуумметров и его защита — одна из ключевых задач эксплуатации.
Сифонная трубка (сифон, бухта) — это изогнутый в петлю металлический трубопровод между отборным устройством и вакуумметром. Она выполняет две функции: 1) Охлаждение среды (пара) и конденсация его в воду, что предотвращает попадание горячего пара в чувствительный элемент прибора; 2) Компенсация температурных расширений и вибраций. Для вакуумных систем она также является гидрозатвором, поддерживая постоянный столб конденсата.
Решение зависит от уровня автоматизации объекта. Если требуется только локальная индикация, достаточно механического прибора. Если данные необходимо интегрировать в систему SCADA, проводить регистрацию, автоматическое регулирование или строить тенденции, безальтернативным выбором является электронный преобразователь давления. Часто применяется комбинированный подход: установка электронного датчика для АСУ ТП и параллельный монтаж контрольного механического вакуумметра для оперативного визуального контроля и резервирования.
Это признак неисправности: остаточная деформация (усталость) трубки Бурдона или мембраны, загрязнение механизма, повреждение. Такой прибор подлежит демонтажу и отправке в ремонтную мастерскую для замены чувствительного элемента и последующей поверки. Эксплуатация неисправного вакуумметра недопустима, так как ведет к получению ложных данных и потенциально аварийным ситуациям.