Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические измерения и приборы

Подождите немного. Документ загружается.

101

диапазоне значение отношения f/Δf должно быть по возможности уменьшено.

Колокольные дифманометры с гидростатическим уравновешиванием

обладают высокой чувствительностью и могут быть использованы для

измерения малых давлений, перепадов давлений и разрежений.

Некоторые модификации колокольных дифманометров с гидро-

статическим уравновешиванием оснащаются преобразователями П,

посредством которых перемещение поплавка преобразуется в уни-

фицированный сигнал измерительной информации, передаваемый по каналу

связи.

§ 4.3. Чувствительные элементы деформационных средств измерений

давления

Принцип действия деформационных средств измерений давления основан

на использовании упругой деформации чувствительного элемента (ЧЭ) или

развиваемой им силы. Мерой измеряемого давления в средствах измерений

данного вида является деформация упругого ЧЭ или развиваемая им сила.

Различают три основные формы ЧЭ, получивших распространение в практике

измерения: трубчатые пружины, сильфоны и мембраны.

Трубчатые пружины. Трубчатая пружина (манометрическая трубка,

пружина Бурдона) — упругая криволинейная металлическая полая трубка, один

из концов которой имеет возможность перемещаться, а другой — жестко

закреплен. Трубчатые пружины используются в основном для преобразования

измеряемого давления, поданного во внутреннее пространство пружины, в

пропорциональное перемещение ее свободного конца. Наиболее распростра-

нена одновитковая трубчатая пружина, представляющая собой изогнутую по

дуге окружности трубку с обычно овальным поперечным сечением (рис. 4.3, а).

Под влиянием поданного избыточного давления трубка раскручивается, а

под действием разрежения скручивается. Такое направление перемещения

трубки объясняется тем, что под влиянием внутреннего избыточного давления

малая ось трубки (ось Ь) увеличивается, в то время как длина трубки остается

постоянной. Теоретически длина трубки также изменяется, но эти изменения

столь малы по сравнению с длиной, что на общее перемещение трубки оно не

оказывает существенного влияния.

Для тонкостенных трубок изменение центрального угла трубки под

действием

222

)1(

ℵ+

−

αµ

γγ

(4.11)

где γ— центральный угол трубки; μ — коэффициент Пуассона; Е — Модуль

упругости материала трубки; R — радиус кривизны центральной

102

103

оси трубки (центральная ось — геометрическое место центров тяжести

поперечных сечений); h — толщина стенки; а и b — большая и малая полуоси

овального сечения, измеренные по среднему контуру; α и β— эмпирические

коэффициенты, зависящие от формы поперечного сечения трубки; ℵ=Rh/a

—

главный параметр трубки. Составляющая сила в направлении касательной к оси

на свободном конце тонкостенной трубки (у тонкостенных трубок отношение

h/b = 0,6÷0,7) может быть найдена из выражения

γγγγ

γγ

cossinsin43

sin48

+−

−

ℵ+













−=

PabNt

(4.12)

Сила в радиальном направлении

γγγ

γγ

cossin3

cos48

−

ℵ+













−=

PabN

(4.13)

где S и ε — коэффициенты, зависящие от отношения b/а.

В уравнениях (4.12) и (4.13) все величины, за исключением Р,

постоянные. Поэтому для трубчатой пружины справедливо равенство

kPN

(4.14)

где k=f (a; b; h; R; γ).

Как следует из приведенных зависимостей, путем изменения a/b, R, h и γ

можно изменять величины Δγ и N, а следовательно, и чувствительность

измерения.

Практически увеличение у достигается путем увеличения числа витков

трубчатой пружины. На рис. 4.3, б показана винтовая n-витковая трубчатая

пружина. Величина у в чувствительных элементах этой формы равна 360° п.

Для измерения высоких давлений до 1000 МПа используют кри-

волинейные и прямолинейные трубчатые пружины. Форма сечения

прямолинейной трубчатой пружины показана на рис. 4.3, в. Перемещение

свободного конца пружины происходит не из-за изменения поперечного

сечения, а благодаря изгибающему моменту

lPrM

π=

(4.15)

где πr

— площадь канала; l — расстояние от центра канала до центра тяжести;

Р — измеряемое избыточное давление, направленное в сторону более толстой

стенки.

Основной недостаток рассмотренных пружин — малый угол поворота,

что требует применения передаточных механизмов. Этот недостаток устранен в

чувствительных элементах типа витой трубчатой пружины овального или

звездчатого сечения (рис. 4.3, г). Угол поворота такой витой пружины

составляет 40—60°. Это позволяет отказаться от применения передаточного

механизма, так как стрелка может быть укреплена непосредственно на

свободном конце пружины. Трубчатые пружины для давлений до 5 МПа

изготавливают

104

из латуни, томпака, бронзы; для изготовления пружин, рассчитанных на

давления свыше 5 МПа, применяют легированные сплавы, стали различных

составов. Для давлений 1000 МПа и более применяют легированную сталь типа

50 ХФА.

Сильфоны. Сильфон — тонкостенная цилиндрическая оболочка с

поперечными гофрами (рис. 4.3, д), способная получать значительные

перемещения под действием давления или силы. В пределах линейности

статической характеристики сильфона отношение действующей на него силы к

вызванной ею деформации остается постоянным и называется жесткостью

сильфона. Для увеличения жесткости внутри сильфона часто помещают

пружину. Сильфоны изготовляют из бронзы различных марок, полутомпака,

углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и др. Серийно

производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8—10 до 80—100 мм

и толщиной стенки 0,1—0,3 мм.

Осевое перемещение б дна сильфона под действием осевой силы N

определяют по формуле

RhBAAA

++−

−

αα

(4.16)

где h

— толщина стенки на внутреннем диаметре (принимают равной толщине

трубки, из которой изготовляют сильфон); п — число рабочих гофров; α —

угол уплотнения;

, А

, В

— коэффициенты, зависящие от отношений R

и r/R

и R

— наружный и внутренний радиусы сильфона; r — радиус закругления гофров

по средней линии контура).

Осевую силу можно определить, зная разность давлений ΔР,

действующую на сильфон, т. е. N=ΔРF

эф

, где F

эф

=π (R

+ R

)

/4— эффективная

площадь cильфона, которая при значительных перемещениях дна сильфона

остается практически постоянной.

Мембраны. Различают упругие и эластичные (вялые) мембраны. Упругая

мембрана — гибкая круглая плоская (плоская мембрана) или гофрированная

(гофрированная мембрана) пластина, способная получить прогиб под

действием давления (рис. 4.3, е, ж). Статическая характеристика плоских

мембран изменяется нелинейно с увеличением давления, поэтому здесь в

качестве рабочего участка используют небольшую часть возможного хода.

Гофрированные мембраны могут применяться при больших прогибах, чем

плоские, так как имеют значительно меньшую нелинейность характеристики.

Мембраны изготовляют из различных марок стали, бронзы, томпака, латуни и

т. д.

Величина прогиба 8 центра плоской мембраны, закрепленной по контуру,

при малых перемещениях под действием давления Р равна

)1(3

PRµ

−

(4.17)

105

где R — рабочий радиус мембраны (по контуру закрепления); h— толщина

мембраны.

Величину прогиба δ гофрированных мембран определяют из выражения

a=δ/h+bδ

= PR

/(Eh

), где а и b — коэффициенты, зависящие от формы

профиля мембраны и ее толщины.

Гофры применяются треугольной, трапециевидной, синусоидальной и

круговой форм. При необходимости получения большего прогиба используют

соединение мембран в виде мембранных коробок (рис. 4.3, з), а также блоки,

собранные из нескольких мембранных коробок (рис. 4.3, к).

Глубина гофр оказывает существенное влияние на линейность

статической характеристики. Чем больше глубина гофр, тем линейность

статической характеристики выше.

При измерении атмосферного (барометрического) давления получили

распространение гофрированные мембранные коробки, из внутренней полости

которой воздух удален (рис. 4.3, л).

Эластичная мембрана, предназначенная для измерения малых давлений и

разности давлений, представляет собой зажатые между фланцами плоские или

гофрированные диски, выполненные из прорезиненной ткани, тефлона и др.

Плоские и гофрированные эластичные мембраны предназначены в

основном для создания достаточных перестановочных усилий при

сравнительно небольших перемещениях.

Перестановочное усилие эластичной мембраны зависит от ее

эффективной площади, которая при умножении на перепад давления создает

усилие, приложенное к геометрическому центру мембраны.

Эффективная площадь плоской эластичной мембраны, зажатой между

фланцами, при малом прогибе мембраны приближенно равна

/3 ее полной

геометрической площади (остальные

/3 площади передают усилие к опоре), т.

е. F

эф

= πD

/12, где D — диаметр опоры мембраны. Перестановочное усилие,

создаваемое такой мембраной:

PPFN

эф

(4.18)

В большинстве случаев используют лишь часть максимально возможного

хода мембраны (до 10 %). При большом ходе мембраны связь между усилием N

и ходом центра мембраны нелинейна. Для уменьшения нелинейности и

увеличения перестановочного усилия применяют эластичные мембраны с

жестким центром, представляющим собой два металлических диска,

закрепленных с двух сторон на мембране; оставшаяся свободная часть

мембраны между дисками жесткого центра и заделкой по периферии образует

эластичное мембранное кольцо

106

Усилие, создаваемое мембраной с жестким центром под действием

давления Р,

dDdD

)(

(4.19)

где D — диаметр мембраны; d — диаметр жесткого центра.

На рис. 4.3, м, я показаны типы эластичных мембран. При измерении

перепада давления необходимо, чтобы при воздействии односторонних

перегрузок на чувствительный элемент не происходило его повреждения.

Применение мембранных блоков с жидкостным заполнением (рис. 4.3, о)

позволяет решить эту задачу. При односторонней перегрузке, когда разность

давлений Р\ — Р

больше верхнего предела измерений, на который рассчитан

чувствительный элемент, повреждение коробки не происходит, так как

мембраны складываются по профилю, а жидкость перетекает во вторую

коробку.

Одной из основных характеристик деформационного чувствительного

элемента является зависимость перемещения 8 рабочей точки от действующего

давления Р или разности давлений. Эта характеристика б=/(Р), называемая

статической, может быть линейной или нелинейной. Ход статической

характеристики в пределах упругой деформации неоднозначен и образует

петлю гистерезиса. Значение гистерезиса определяет систематическую погреш-

ность деформационных средств измерений.

Кроме отмеченного недостатка чувствительным элементам присуще

свойство упругого последействия, суть которого состоит в том, что после

прекращения изменения давления деформация продолжает уменьшаться,

асимптотически приближаясь к предельному значению. Наряду с упругим

последействием при эксплуатации чувствительных элементов имеет место

остаточная деформация, заключающаяся в том, что после снятия давления

чувствительный элемент не возвращается в исходное положение. При

многократных измерениях остаточная деформация накапливается, что при-

водит к значительным погрешностям.

Изложенные особенности деформационных чувствительных элементов

объясняют тот факт, что для технических манометров верхний предел

измерений ограничивается половиной давления, соответствующего пределу

пропорциональности статической характеристики, в то время как для

образцовых приборов предел измерений ограничивается четвертой частью

давления, соответствующего пределу пропорциональности.

§ 4.4. Деформационные приборы для измерения давления

Высокая точность, простота конструкции, надежность и низкая стоимость

являются основными факторами, обусловливающими широкое

распространение деформационных приборов для измерения давления в

промышленности и научных исследованиях.

107

Измерительные приборы с одновитковой трубчатой пружиной.

Эти приборы предназначены для измерения избыточного давления и

разрежения неагрессивных жидких и газообразных сред.

Приборы этого типа выпускаются только показывающие в

обыкновенном, виброустойчивом, антикоррозионном, пыле-, брызго- и

взрывозащищенном исполнениях.

Для передачи перемещения свободного конца деформационного ЧЭ к

указателю манометра используют секторные и рычажные передаточные

механизмы. С помощью передаточного механизма перемещение свободного

конца трубчатой пружины в несколько градусов или миллиметров

преобразуется в угловое перемещение стрелки на 270—300°.

Рычажный передаточный механизм применяется в тех случаях, когда от

манометра не требуется высокая точность измерения и он подвергается

вибрации. Секторный передаточный механизм применяется в образцовых при-

борах и в приборах, где по условиям

эксплуатации исключена вибрация.

На рис. 4.4 показана конструкция

манометра с секторным передаточным

механизмом. Прибор состоит из трубчатой

пружины 5, один конец которой впаян в

отверстие держателя 1, а другой

(подвижный) конец наглухо запаян и несет

на себе наконечник 10. Полость пружины

связана с измеряемой средой через канал в

держателе 1, снабженном радиальным

штуцером 14. Держатель прибора оснащен

платой 2, на которой монтируется трибко-

секторный механизм. Последний включает

зубчатое колесо (трибку) 8 и зубчатый сек-

тор 9. Для исключения люфта в

передаточном механизме используется

спиральная пружина 7, один конец которой с помощью штифта крепится на оси

трибки, а другой — к колонке 6, укрепленной на плате 2. К хвостовику сектора

9 с помощью винта 12 крепится тяга 11. Посредством тяги перемещение

свободного конца пружины передается зубчатому сектору, который имеет ось

вращения 13. Вращение зубчатого сектора

108

передается трибке, на оси которой насажена стрелка 4 для отсчета показаний на

шкале 3. Шкала манометра равномерная, так как перемещение свободного

конца пружины пропорционально измеряемому давлению. Регулировка хода

стрелки производится винтом 12.

Вакуумметр с одновитковой

трубчатой пружиной конструктивно

идентичен рассмотренному манометру.

Отличие состоит только в шкале и

направлении перемещения стрелки. В

вакуумметрах перемещение стрелки

может происходить как по часовой

стрелке, так и против. Отличительной

особенностью мановакуумметра является

шкала, которая выполняется с нулем в

средней части. Шкала, расположенная

слева от нуля, служит для измерения

вакуума, а шкала, расположенная

справа,— для измерения избыточного

давления.

Диапазоны измерений манометров от

0—0,1 МПа до 0—10

МПа; вакуум-

метров— от —0,1 до 0 МПа. Классы

точности приборов: 0,4(0,5); 0,6; 1,0;

1,5(1,6); 2,5; 4,0.

Наряду с рассмотренными

приборами, оснащенными одинаковой

трубчатой пружиной, в практике

измерения давления и разрежения получили широкое распространение

манометры и вакуумметры, снабженные электроконтактными сиг-

нализирующими устройствами. Эти средства измерений давления получили

название электроконтактных. Класс точности электроконтактных манометров и

вакуумметров 1,5. Погрешность срабатывания сигнализирующего устройства

±2,5%.

109

Измерительные приборы с многовитковой трубчатой пружиной.

Благодаря большому числу витков, перемещение свободного конца

многовитковой трубчатой пружины и развиваемые ею усилия достигают

значений, позволяющих осуществлять показания и запись измеряемого

давления или разрежения. На рис. 4.5 показана схема манометра с

многовитковой трубчатой пружиной. Измеряемое давление через штуцер 1 по

капилляру 8 подается во внутреннюю полость многовитковой трубчатой

пружины 7. Один конец пружины прикреплен к кронштейну 6, а другой —

соединен с осью 9. Под действием давления пружина раскручивается, что

сопровождается вращением оси 9 и находящегося на ней рычага 10, вращение

которого через тягу 13 передается рычагу 4, находящемуся на одной оси 5 со

стрелкой 3. На конце стрелки укреплено перо 14, перемещающееся по дисковой

диаграмме 2, вращение которой осуществляется электродвигателем или

часовым механизмом. Для регулировки размаха стрелки предусмотрен ползун

11с винтом 12. Класс точности показывающих и самопишущих приборов с

многовитковой трубчатой пружиной 1,0; 1,5. Диапазоны измерений манометров

от 0—0,6 МПа до 0— 160 МПа; вакуумметров—от —0,06—0 МПа до—0,1—0

МПа.

Измерительные приборы с

сильфонным чувствительным элементом.

Приборы этого типа предназначены для

измерения избыточного давления, разрежения

и разности давлений. Пх выполняют

показывающими и самопишущими. Схема

самопишущего сильфонного манометра

показана на рис. 4.6. Измеряемое давление

через штуцер 11 подается в камеру 10, где

расположен деформационный

чувствительный элемент — сильфон 9. Для

увеличения жесткости сильфона внутри

него расположена винтовая пружина 8. Под

действием давления сильфон деформируется

и дно его поднимает шток 7, жестко

связанный с двухплечим рычагом 6,

последний через систему рычагов 5, 4, 3

поворачивает ось

110

12 и укрепленный на ней П-образный рычаг 2. К П-образному рычагу

прикреплена стрелка 1 с пером. Запись измеряемого давления производится на

дис

ковой диаграмме, привод которой осуществляется с помощью синхронного

двигателя или часового механизма. Верхний предел измерений сильфонных

приборов ограничен давлениями 0,025—0,4 МПа. Классы точности

сильфонных манометров избыточного давления, вакуумметров и

мановакуумметров: 1,5; 2,5. Для измерения разности давлений и расхода

жидких и газообразных сред широкое применение получили сильфонные

дифманометры.

На рис. 4.7 показана схема сильфонного дифманометра.

Под действием измеряемого перепада давления рабочий сильфон /,

расположенный в плюсовой камере (камера, в которую подается большее

давление), сжимается, что приводит к вытеснению рабочей жидкости,

заполняющей внутреннюю полость дифманометра, во внутреннюю полость

рабочего сильфона 4. Деформация сильфо-нов вызывает перемещение штока 2

и изменение натяга противодействующих пружин 5. Перемещение штока

прекращается, когда усилие деформации сильфонов уравновешивается усилием

натяга противодействующих пружин. В процессе перемещения штока 2

последний поворачивает рычаг 3 против часовой стрелки, который закручивает

торсионную трубку 6. Одновременно с торсионной трубкой поворачивается ось

7, жестко связанная с рычагом 8. Перемещение рычага 8 передается оси 9, на

которой укреплена стрелка 10.

С целью исключения влияния изменения температуры окружающего

воздуха на показания прибора последний снабжен температурным

компенсатором, выполненным в виде трех дополнительных гофр 14.

Внутренние полости термокомпенсатора и сильфона соединены между собой

отверстиями в разделительном стакане 13.