|
Единицы
|
Па
|
кгс*м-2
|
кгс*см-2
|
мм вод. ст.
|
мм рт. ст.
|
|
1 Па
|
1
|
0,10197
|
10,197*10-6
|
0,101197
|
7,50*10-3
|
|
1 кгс*м-2
|
9,80665
|
1
|
10-4
|
1
|
73,56*10-3
|
|
1 кгс*см-2
|
98,0665*103
|
104
|
1
|
104
|
735,56
|
|
1 мм вод. ст.
|
9,80665
|
1
|
10-4
|
1
|
73,56*10-3
|
|
1 мм рт. ст.
|
133,322
|
13,595
|
13,595*10-4
|
13,595
|
1
|
.
Приборы для измерения давления
По принципу действия приборы для
измерения давлений по ГОСТ 15115-69 подразделяются на следующие основные
группы:
деформационные - в которых
измеряемое давление определяется по величине деформации различных упругих
чувствительных элементов или по развиваемой ими силе;
грузопоршневые - в которых
измеряемое или воспроизводимое давление уравновешивается давлением, создаваемым
массой поршня и грузов;
электрические - действие которых
основано на зависимости электрических параметров манометрического
преобразователя от измеряемого давления.
Иногда для измерения давлений
применяют радиоизотопные методы измерения, чаще используемые при измерениях
уровней или плотностей.
По наименованию различают следующие
основные устройства (приборы) для измерения давления:
манометры - устройства для измерения
давления или разности давлений (общее наименование);
барометры - для измерения
барометрического (абсолютного) давления атмосферного воздуха;
манометры избыточного давления - для
измерения избыточного давления (выше атмосферного - барометрического), равного
разности между абсолютным и барометрическим (атмосферным) давлением;
вакуумметры - для измерения
вакуумметрического давления (ниже атмосферного), равного разности между
барометрическим и абсолютным давлением или для измерения абсолютного давления
ниже 100 кгс/м²;
мановакуумметры - для измерения избыточного
и вакуумметрического давлений;
дифференциальные манометры - для
измерения разности двух давлений (в пределах, по ГОСТ 3720-66, до 6,3 кгс/см²), ни одно из которых не
является давлением окружающей среды.
Манометры, вакуумметры и
дифференциальные манометры, предназначаемые для измерений небольших избыточных
и вакуумметрических давлений или разности давлений (до 4000 мм вод. ст.)
газовых сред, называют напоромерами, тягомерами или дифференциальными
тягонапоромерами.
.
Жидкостные приборы давления с видимым уровнем
Стеклянные жидкостные приборы широко
применяются в лабораториях и в промышленности при эпизодических измерениях. Как
стационарные приборы в промышленности они используются редко.
Приборы U-образные (двухтрубные) и
чашечные (однотрубные) относятся к группе жидкостных приборов с видимым
уровнем. Они применяются в качестве манометров (напоромеров) для измерения
избыточного давления воздуха и неагрессивных газов до 700 мм вод. ст. (7000 Па)
и 735 мм рт. ст. (0,1 МПа), тягомеров для измерения разрежения газовых сред до
700 мм вод. ст. (7000 Па), вакуумметров для измерения вакуума (разрежения) до
760 мм рт. ст. (0,101 МПа) и дифференциальных манометров для измерения разности
давлений неагрессивных газов, находящихся под давлением, близким к атмосферному,
до 700 мм вод. ст. (7000 Па) и неагрессивных жидкостей, газов и паров,
находящихся под давлением более 1 кгс/см² (0,1 МПа), до 700 мм рт. ст. (0,09 МПа).
Приборы U-образные и чашечные
используются в промышленности как местные приборы, т.е. они устанавливаются на
площадках обслуживания или на отдельных элементах технологического
оборудования. Приборы этого типа применяют в качестве контрольных и образцовых
манометров и вакуумметров для поверки рабочих приборов, рассчитанных на те же
диапазоны измерения давления, разрежения или разности давлений.
На рис. 3.1 показана схема
U-образного (двухтрубного) манометра. Он состоит из U-образной стеклянной
трубки, заполняемой примерно до половины своей высоты рабочей жидкостью, и
шкалы, позволяющей производить отсчет уровней в обоих коленах. Измеряемое
давление, разрежение или разность давлений уравновешивается и измеряется
столбом h рабочей жидкости, определяемым как сумма столбов ht и h2 в обоих
коленах. При этом устраняется погрешность из-за некоторого возможного различия
сечений обоих колен U-образной трубки.
В качестве рабочей
жидкости обычно применяют воду или ртуть, а иногда и другие жидкости.
Внутренний диаметр стеклянной трубки для изготовления U-образного прибора
должен быть не менее 8-10 мм и по возможности одинаков по всей ее длине. При
малом диаметре трубки капиллярные свойства воды не позволяют применять ее в
качестве рабочей жидкости в приборах этого типа. В этом случае в качестве
рабочей жидкости рекомендуется применять спирт.
При применении U-образный манометр
должен устанавливаться вертикально по отвесу.
Для измерения избыточного давления в
объекте правое колено трубки прибора соединяют с объектом, а левое оставляют
открытым (сообщенным с атмосферой); при измерении разрежения - левое колено
прибора соединяют с объектом, а правое - оставляют открытым. При измерении
разности давлений большее давление подводится к правому, а меньшее - к левому
колену трубки прибора.
Если отсчет высоты столба h рабочей
жидкости по U-образному прибору производят невооруженным глазом, то при цене
деления шкалы в 1 мм при отсчете в двух коленах пределы допускаемой основной
погрешности измерения давления, разрежения или разности давлений не превышают ±
2 мм столба рабочей жидкости (при этом учитывается и погрешность самой шкалы).
Значения плотности рабочих жидкостей, наиболее часто применяемых в этих
приборах (вода, ртуть), могут быть взяты из таблиц с погрешностью, не
превышающей 0,005%. При этом необходимо быть уверенным в чистоте взятых
жидкостей. Таким образом, практически погрешность определения плотности рабочей
жидкости настолько мала, что на точность измерения она влиять не может и
относительная погрешность при измерении давления, разрежения или разности
давлений U-образным прибором зависит в основном от высоты столба рабочей
жидкости и точности его отсчета.
Для увеличения точности отсчета
высоты столба рабочей жидкости U-образные приборы повышенной точности и
образцовые снабжают зеркальной шкалой. Для приборов такого типа пределы
допускаемой основной погрешности показаний не превышают ±1 мм столба рабочей
жидкости.
Чашечный (однотрубный) манометр,
показанный на рис. 3.2, состоит из цилиндрического сосуда и сообщающейся с ним
измерительной стеклянной трубки. При этом площадь сечения сосуда значительно
больше, чем измерительной трубки. Рабочую жидкость (воду, ртуть или другую
Жидкость) заливают в широкий сосуд настолько, чтобы уровень. ее в измерительной
трубке находился против нулевой отметки шкалы. При измерении давления в объекте
его соединяют с помощью трубки с сосудом прибора, а при измерении разрежения -
с измерительной трубкой. При измерении разности давлений большее давление
подается в сосуд, а меньшее - в измерительную трубку.
Основным достоинством чашечного
прибора перед U-образным является то, что он позволяет производить только один
отсчет. В этом случае при цене деления шкалы в 1 мм отсчет высоты столба в
измерительной трубке может быть произведен с погрешностью, не превышающей ±1 мм
столба рабочей жидкости. Так как при измерении давления, разрежения или
разности давлений однотрубным прибором уровень жидкости в широком сосуде
понижается, то необходимо вводить поправку в его показания или предварительно
градуировать прибор в единицах давления с учетом этой поправки. Погрешностями
самой шкалы и определения плотности рабочей жидкости можно пренебречь.
При измерении малых давлений,
разрежений или разностей давлений, выражающихся высотой столба рабочей жидкости
в не сколько десятков миллиметров, U-образные и чашечные приборы заменяют более
точными приборами, называемыми микроманометрами.
Микроманометры являются переносными
приборами, их применяют в лабораторной практике и в промышленных условиях при
проведении испытаний теплосиловых и других установок для измерения малых
давлений, разрежений или разностей давлений воздуха и неагрессивных газов.
Приборы этого типа в зависимости от их назначения подразделяются на рабочие и
образцовые микроманометры. Рабочие микроманометры в свою очередь подразделяются
на приборы технические и повышенной точности.
На рис. 3.3 показана схема микроманометра
с наклонной стеклянной измерительной трубкой. Наклон измерительной трубки в
этом приборе сделан с целью уменьшения погрешности измерений. В качестве
рабочей жидкости в микроманометрах этого типа применяют этиловый спирт, который
заливают в широкий сосуд настолько, чтобы уровень его в наклонной трубке
находился против нулевой отметки шкалы. Длина шкалы у микроманометров с
наклонной трубкой выполняется обычно равной 250 мм.
При измерении давления в каком-либо
объекте к нему присоединяют с помощью трубки широкий сосуд прибора, а при
измерении разрежения - наклонную трубку. В случае измерения разности давлений
большее давление подается в сосуд, а меньшее - в измерительную трубку.
Пусть под действием измеряемого
давления, разрежения или разности давлений воздуха уровень жидкости в трубке,
наклоненной на угол а к горизонтальной плоскости, поднимется по вертикали на
высоту h1, в широком сосуде опустится на h2, тогда разность высот уровней
рабочей жидкости в приборе, уравновешивающая измеряемую величину, будет равна:
=h1+h2, (3.1)
где
=nsinα, (3.2)
где n - длина столба жидкости в
наклонной трубке.
Давление можно определить как:
, (3.3)
где ρ
- плотность рабочей жидкости;
g
- ускорение свободного падения тела;
S1
- площадь сечения наклонной трубки;
S2
- площадь сечения сосуда.
По схеме, показанной на
рис. 3.4, выполняют микроманометры с переменным углом наклона измерительной
трубки. Благодаря этому прибор может иметь несколько диапазонов измерения В
качестве примера рассмотрим устройство микроманометра типа ММН с пятью
диапазонами измерения (0-50, 0-75, 0-100, 0-150 и 0-200 кгс/м²).
Схема этого прибора представлена на рис. 9-2-2. Прибор состоит из широкого
сосуда 7, измерительной трубки /, закрепленной на поворотном кронштейне, и
приспособления 8 для фиксации угла наклона а измерительной трубки. Сосуд и все
другие детали прибора укреплены на общем основании 4. Микроманометр имеет шкалу
0-250 кгс/м². Прибор снабжен двумя уровнями 3 с цилиндрическими ампулами. Для
установки прибора по уровням служат два винта (2 и 5). Для установки в
измерительной трубке уровня жидкости против нулевой отметки шкалы служит
вытеснитель 6.
Схема микроманометра типа ММН
Для изменения диапазона измерения
кронштейн с измерительной трубкой может быть установлен под пятью различными
фиксированными углами наклона к горизонтальной плоскости. Каждому
фиксированному углу наклона измерительной трубки, а следовательно, и заданному
диапазону измерения соответствует определенное значение постоянной прибора.
Для фиксации кронштейна с
измерительной трубкой при заданном значении постоянной прибора служит
установочная дуга 8 с отверстиями. Кронштейн соединяется с дугой в нужном
рабочем положении с помощью конического штифта, который на схеме прибора не
показан. Значения постоянных микроманометра (0,2; 0,3; 0,4; 0,6 и 0,8) для
указанных выше пяти диапазонов измерения и при заполнении его этиловым спиртом
плотностью 0,8095 г./см³ обозначены против отверстий на установочной дуге. Приборы этого
типа выпускаются классов точности 0,5 и 1.
Для более точного измерения малых
давлений, разрежений или разностей давлений применяют микроманометры,
снабженные оптическим устройством и двумя шкалами или нониусом, и
микроманометры компенсационного типа.
4.
Приборы давления с упругими чувствительными элементами
4.1 Общие сведения и
основные свойства упругих чувствительных элементов
Приборы давления, основанные на
использовании деформации или изгибающего момента упругих чувствительных элементов,
воспринимающих измеряемое давление среды и преобразующих его в перемещение или
усилие, применяют в различных областях техники в широком диапазоне измерений -
от 5 кгс/м²
(50 Па) до 10000 кгс/см² (1000 МПа). Они изготовляются в виде тягомеров, напоромеров,
тягонапоромеров, манометров, вакуумметров и мановакуумметров. Эти приборы
подразделяются на следующие разновидности:
. Приборы давления прямого действия
- показывающие и самопишущие, у которых перемещение центра или свободного конца
упругого чувствительного элемента, вызываемое действием давления, при помощи
дополнительного механизма преобразуется в перемещение отсчетного устройства для
показания или для показания и записи измеряемой величины.
. Приборы давления прямого действия
и реле давления (без отсчетных устройств), снабженные электроконтактами и
предназначенные для целей измерения и сигнализации или только сигнализации
отклонения давления от заданного значения, а также для работы в схемах защиты,
блокировки или позиционного регулирования.
. Первичные приборы давления с
отсчетными устройствами или без них, снабженные передающими преобразователями с
унифицированными выходными сигналами переменного тока или пневматическим и
составляющие с взаимозаменяемыми вторичными показывающими или самопишущими приборами
отдельные измерительные комплекты. Некоторые приборы этого типа используются
также в системах автоматического регулирования и управления.
. Первичные приборы давления с
отсчетными устройствами или без них, снабженные передающими преобразователями с
унифицированным выходным сигналом постоянного тока и предназначенные для работы
с взаимозаменяемыми вторичными показывающими или самопишущими приборами в
системах автоматического регулирования и с информационно-вычислительными
машинами.
В зависимости от назначения приборы
давления с упругими чувствительными элементами разделяются на образцовые и
рабочие.
В качестве упругих чувствительных
элементов в приборах давления используются мембраны, мембранные коробки,
сильфоны и трубчатые пружины. Мембраны, мембранные коробки и сильфоны применяют
в качестве чувствительных элементов также и в дифманометрах.
Упругие чувствительные элементы
обычно изготовляют из достаточно пластичных материалов, которые в результате
специальной технологической операции способны приобрести высокую упругость и
прочность. Из числа применяемых материалов наилучшими технологическими и
эксплуатационными свойствами обладают дисперсионно-твердеющие сплавы, например
Бр.Б2; Бр.Б2,5; Н36ХТЮ и др.
При применении приборов давления
следует иметь в виду, что в условиях переменной температуры изменение модуля
упругости большинства материалов упругих чувствительных элементов приводит к
появлению дополнительной температурной погрешности показаний прибора. В
некоторых случаях дополнительная температурная погрешность может возникнуть
также в результате изменения линейных размеров упругого чувствительного
элемента при его нагреве.
4.2 Упругие
чувствительные элементы
Ниже рассматриваются наиболее
распространенные типы упругих чувствительных элементов, применяемых в приборах
давления, а также в дифференциальных манометрах.
Плоские мембраны. Плоские мембраны,
изготовляемые из стали и бронзы, представляют собой круглые тонкостенные
пластины постоянной толщины. Под действием равномерно распределенного давления
или сосредоточенной силы заделанная по краям плоская мембрана прогибается при
наличии не только изгибных деформаций, но и растягивающих напряжений и
вследствие этого имеет нелинейную статическую характеристику λ = f (р) (рис. 4.1). При
использовании плоских мембран в качестве рабочего участка используется обычно
небольшая часть возможного хода ее.
Рис. 4.1. Плоская мембрана и ее
статическая характеристика
Плоские мембраны находят применение
главным образом в приборах давления специальных конструкций, например
пьезокварцевых, емкостных, индуктивных, с тензопреобразователями и т.д. Приборы
этого типа обладают малой инерционностью и их можно использовать для измерения
переменных давлений с частотой до нескольких сотен и тысяч герц.
Выпуклые мембраны. Выпуклые
(хлопающие) мембраны, изготовляемые из стали или бронзы, могут быть
использованы в реле давления для сигнализации отклонения давления от заданного
значения. При воздействии давления р на мембрану ее прогиб λ на начальном участке
оеа статической характеристики (рис. 4.2) возрастает плавно. Далее при
увеличении давления происходит потеря устойчивости мембраны и она изменяет свор
прогиб скачком (участок аЬ характеристики). При этом мембрана замыкает или
размыкает электроконтакты, показанные схематично на рис. 4.2. При дальнейшем
увеличении давления прогиб мембраны на участке характеристики bс будет снова
возрастать монотонно. Если давление уменьшится до значения р2, то мембрана
также скачком возвращается на участок характеристики ое. Размеры «хлопающих»
мембран обычно подбирают опытным путем.
Рис. 4.2. Выпуклая мембрана и ее
статическая характеристика
Гофрированные мембраны и мембранные
коробки. Гофрировка поверхности мембраны в виде кольцевых волн значительно
повышает надежность ее работы и спрямляет характеристику мембраны. На рис. 4.3
показаны наиболее распространенные формы профилей гофрированных мембран.
Гофрированные одиночные мембраны в качестве чувствительных элементов
применяются редко. Наибольшее применение в приборах давления (тягомерах,
напоромерах, дифманометрах и других приборах) получили мембранные коробки,
образованные двумя спаянными или сваренными гофрированными мембранами (рис.
4.3, а), и блоки из двух или нескольких мембранных коробок (рис. 4.3, б).
Рис. 4.3. Формы профилей
гофрированных мембран: а - синусоидальная, б - трапециидальная, в-пильчатая
В тех случаях, когда необходимо
иметь минимальный объем внутренних полостей чувствительного элемента, например
при измерении перепада давления (что является желательным особенно для
дифманометров-расходомеров), применяют блок, состоящий из двух складывающихся
мембранных коробок с жидкостным заполнением (рис. 4.3, в). Такой мембранный
блок, разработанный на заводе «Манометр», не теряет своих свойств в случае
перегрузки давлениями р1 и р2. Если фактическая разность давлений р1 - р2
превышает верхний предел измерений, на который рассчитан прибор, или одна из
мембранных коробок находится под воздействием односторонней перегрузки
давлением, повреждения мембранной коробки не произойдет, так как обе мембраны
сложатся по профилю, вытеснив жидкость во вторую коробку.
Кроме металлических мембран в
напоромерах, тягомерах, дифманометрах, измеряющих малые давления и разности
давлений, применяют неметаллические (вялые) мембраны. Эти мембраны изготовляют
из специальной сетчатой ткани (капрона, шелка), покрытой бензомаслостойкой
резиной или пластмассой.
Сильфоны. Сильфон представляет собой
тонкостенную трубку с поперечной гофрировкой. Сильфоны применяются в
напоромерах и тягомерах для измерения небольшого давления до 4000 кгс/м² (40 000 Па), в приборах
для измерения вакуумметрического давления до 1 кгс/см² (0,1 МПа), абсолютного
давления до 25 кгс/см² (2,5 МПа), избыточного давления до 600 кгс/см² и разности давлений до
2,5 кгс/см²
(0,25 МПа). Сильфоны при работе на сжатие выдерживают давление в 1,5-2 раза
большее, чем при воздействии давления изнутри.
Трубчатые пружины. Трубчатые пружины
чаще всего выполняются в виде одновитковых, центральная ось которых
представляет собой дугу окружности с центральным углом у, равным 200-270°. Из
числа этих пружин наиболее широкое применение получили пружины Бурдона
эллиптического и плоскоовального сечения (рис. 4.4). Большая ось 2а поперечного
сечения расположена перпендикулярно радиусу кривизны RK центральной оси
(среднему радиусу) пружины.
Рис. 4.4. Приборы с
одновитковой трубчатой пружиной: а - схема трубчатой пружины: 1 - трубка;
2 - держатель: б - эллиптическое поперечное сечение трубки; в-плоскоовальное
поперечное сечение трубки
Один конец пружины Бурдона
закрепляют неподвижно, а другой - свободный, закрытый пробкой и запаянный -
соединяют с механизмом прибора, передающим преобразователем или другим
устройством. Тонкостенные пружины Бурдона применяют в приборах для измерения
вакуумметрического давления до 1 кгс/см² (0,1 МПа) и избыточного давления до 60 кгс/см² (6 МПа). Для измерения
избыточного давления до 200 - 1600 кгс/см² (20-160 МПа) применяют толстостенные пружины овального сечения.
Пружина круглого сечения практически
нечувствительна к давлению, так как ее поперечное сечение не деформируется при
воздействии давления.
4.3
Приборы давления прямого действия
Приборы прямого действия применяют в
широком диапазоне измерения от нескольких десятков миллиметров водяного столба
и до давлений в несколько тысяч атмосфер как в лабораторных, так и в
промышленных условиях. Причину этого следует видеть в простоте устройства,
портативности, простоте применения и, наконец, в их дешевизне.
Если по условиям организации
централизованного технологического контроля и управления агрегатами, аппаратами
или теплоэнергетическими установками приборы давления прямого действия не могут
быть использованы, то применяют рассматриваемые ниже приборы электроконтактные
и с дистанционной передачей показаний.
Напоромеры, тягомеры и
тягонапоромеры. Приборы этого типа служат для измерения небольших избыточных и
вакуумметрических давлений неагрессивных газов, не превышающих обычно 4000
кгс/м² (0,04 МПа). Например, в
котельных установках, печах и в ряде других случаев напоромерами измеряют
избыточное давление воздуха, тягомерами - разрежение (силу тяги) в газоходах, а
тягонапоромерами измеряют в топках разрежение - давление. Кроме указанных
приборов изготовляются также дифференциальные тягонапоромеры, предназначенные
для измерения разности вакуумметрических или избыточных давлений газа.
В качестве упругих чувствительных
элементов в приборах рассматриваемых типов широко применяют мембранные коробки,
а также неметаллические мембраны с жестким центром. Поэтому их называют обычно
мембранными приборами.
Мембранные напоромеры, тягомеры,
тягонапоромеры и дифференциальные тягонапоромеры изготовляют в виде
показывающих приборов с вертикальной профильной шкалой, а иногда с
концентрической шкалой. При этом их устройство принципиально одинаковое, за
исключением отдельных элементов передаточного механизма и формы циферблата и
корпуса. Приборы с профильным корпусом более удобны для монтажа на щитах, так
как благодаря прямоугольной форме передней части прибора возможен достаточно
компактный монтаж.
Манометры, вакуумметры и
мановакуумметры. В этих приборах в качестве упругих чувствительных элементов
используются сильфоны и одновитковые трубчатые пружины. Сильфонные приборы
применяются для измерения или для измерения и записи вакуумметрических и
небольших избыточных давлений, не превышающих обычно 4 кгс/см² (0,4 МПа).
Приборы с одновитковой трубчатой
пружиной получили наибольшее распространение и применяются в широком интервале
для измерения давления от 1 до 10 000 кгс/см² (0,1-1000 МПа).
Приборы с одновитковой трубчатой
пружиной в зависимости от их назначения разделяются на рабочие и образцовые.
Рабочие приборы в свою очередь подразделяются на приборы повышенной точности,
контрольные и технические. Приборы, предназначенные для измерения с повышенной
точностью, изготовляются в виде манометров (МТИ) и вакуумметров (ВТИ) классов
точности 0,6 и 1 и мановакуумметров (МТИ) класса точности 1. Контрольные
показывающие манометры и вакуумметры, предназначенные для поверки технических
приборов на месте их установки, изготовляются с одной стрелкой класса точности
0,6 и могут быть выполнены с двумя стрелками класса точности 1. Технические
манометры, вакуумметры и мановакуумметры выпускаются классов точности 1; 1,6;
2,5 и 4. Образцовые приборы изготовляют классов точности 0,16; 0,25 и 0,4 в
виде показывающих манометров типа МО и вакуумметров типа ВО. Кроме образцовых
приборов указанных классов находятся в применении образцовые манометры и
вакуумметры классов точности 0,2 и 0,35, выпускавшиеся ранее. Манометры
образцовые типа МО выпускаются с верхними пределами измерений от 1 до 600
кгс/см² (0,1-60 МПа).
В приборах с одновитковой трубчатой
пружиной перемещение свободного конца пружины передается на стрелку с помощью
секторного передаточного механизма. Этот механизм позволяет выполнять
концентрическую шкалу с углом в 270°. Имеются отдельные типы приборов с
трубчатыми пружинами Бурдона, у которых перемещение свободного конца передается
на стрелку с помощью рычажного передаточного механизма, состоящего из поводка и
дугообразного рычага. Шкала у приборов с таким передаточным механизмом может
быть выполнена только эксцентрической с углом 90°.
На рис. 4.5 схематически показано
устройство показывающего манометра с одновитковой трубчатой пружиной; Бурдона.
Один конец трубчатой пружины 1 закреплен в держателе 2, скрепленном с корпусом
манометра. Внизу держатель снабжен шестигранной головкой и радиальным штуцером 3
с резьбой для присоединения к объекту, где надлежит измерить избыточное
давление среды. Приборы давления изготовляются также с осевым штуцером,
располагаемым сзади корпуса прибора. Свободный конец пружины, закрытый пробкой
с серьгой и запаянный, соединен с секторным передаточным механизмом, состоящим
из поводка 4 сектора 5 и трибки 6, на оси которой укреплена стрелка 7.
Спиральная пружина 5, прижимающая зубцы трибки к зубцам сектора, устраняет
мертвый ход.
Рис. 4.5. Манометр с одновитковой
трубчатой пружиной
Под влиянием измеряемого избыточного
давления пружина Деформируется и тянет поводок. Поводок поворачивает зубчатый
сектор и соответственно трибку со стрелкой. Передвигающаяся вдоль шкалы стрелка
показывает значение измеряемого избыточного давления. Перемещение свободного
конца пружины, а следовательно, и угол поворота стрелки практически
пропорциональны измеряемому давлению, поэтому шкала таких приборов равномерна.
Регулировка хода стрелки
осуществляется изменением длины плеча сектора со стороны поводка.
Вакуумметры с одновитковой трубчатой
пружиной по своему устройству аналогичны манометру (рис. 4.5). Если штуцер
прибора соединить с пространством, в котором создано разрежение, то трубчатая
пружина будет скручиваться и ее свободный конец будет перемещаться не вверх,
как при измерении избыточного давления, а вниз. Поэтому стрелка вакуумметра
будет двигаться в отличие от манометра справа налево. Чтобы сделать движение
стрелки обычным, конец трубчатой пружины закрепляют с правой стороны держателя.
Однако прямое движение стрелки не является обязательным и вакуумметры могут
быть выполнены как с прямым, так и с обратным движением стрелки. Вакуумметры
выпускаются с диапазоном измерения от -1 до 0 кгс/см² (от -0,1 до 0 МПа). В применении
имеются вакуумметры с верхним пределом измерения 760 мм рт. ст. (0,101 МПа).
Мановакуумметры с одновитковой
трубчатой пружиной отличаются от рассмотренного выше манометра в основном
шкалой, которая выполняется у них двусторонней. Шкала, расположенная слева от
нуля, служит для измерения вакуума в диапазоне от -1 до 0 кгс/см² (от -0,1 до 0 МПа), а
справа от нуля находится шкала для измерения избыточного давления, которая
выполняется с верхними пределами измерения от 0,6 до 24 кгс/см² (0,06 - 2,4 МПа).
Устройство манометров и вакуумметров
повышенной точности, контрольных с одной стрелкой и образцовых в принципе ничем
не отличается от прибора, показанного на рис. 4.5. Большая точность этих
приборов, особенно образцовых, по сравнению с техническими приборами
достигается главным образом тщательным изготовлением и применением материалов
высокого качества.
Контрольные манометры и вакуумметры
двухстрелочные имеют две трубчатые пружины, закрепленные в одном держателе и
работающие одновременно от одного штуцера. Они имеют два передаточных
механизма, две стрелки и две шкалы соответственно каждой пружине.
Механические самопишущие приборы
давления с одновитковой трубчатой пружиной в практике технологического контроля
на тепловых электростанциях распространения не получили. В других же отраслях
промышленности они находят ограниченное применение.
При выборе шкалы прибора с
одновитковой трубчатой пружиной необходимо, чтобы рабочий предел измерения
избыточного давления был не менее 3/4 верхнего предела измерения при постоянном
давлении и не менее 2/3 верхнего предела измерения при переменном давлении
(ГОСТ 2405-63).
4.4 Манометр с
одновитковой трубчатой пружиной
Манометры с трубчатой пружиной
широко применяют для измерения давления и разрежения в различных производственных
процессах. Их преимущества: простота устройства, надежность в работе,
компактность, большой диапазон измерения - от 0,2 до 10 000 кГ/см² (0,02 - 980,7 Мн/м²), малая стоимость.
Принцип действия трубчатых манометров основан на измерении величины упругой
деформации пружины под действием давления. Под действием давления сечение
трубки стремится принять круглую форму, вследствие чего трубка разворачивается
на величину, пропорциональную давлению. При снижении давления до атмосферного
трубка принимает первоначальную форму.
Общий вид манометра с трубчатой
пружиной показан на рис. 4.6, а его устройство - на рис. 4.7.
Рис. 4.6. Общий вид манометра с
трубчатой пружиной
Основной деталью манометра является
трубчатая пружина 3, представляющая собой согнутую по окружности трубку с
сечением в форме эллипса или овала. Трубчатая пружина изготовляется из бронзы,
латуни или стали в зависимости от назначения прибора и пределов измерения. Один
конец трубки впаян в держатель с штуцером 2, который предназначен для
присоединения манометра к источнику давления. Второй конец трубки свободный,
герметически закрыт. Держатель имеет плату 4, которая винтами крепится к
корпусу прибора. На этой плате при помощи двух винтов 5 укреплен передаточный механизм.
К свободному концу трубчатой пружины шарнирно присоединена тяга 10. Другой
конец этой тяги подсоединяется к хвостовику зубчатого сектора 8. Хвостовик
зубчатого сектора имеет прорезь (кулису), вдоль которой при регулировке прибора
можно перемещать конец тяги 10. Зубчатый сектор удерживается на оси 9 и входит
в зацепление с маленькой шестеренкой 7, называемой трибкой. Трибка жестко
насажена на ось стрелки.
Для устранения мертвого хода
стрелки, вызванного наличием люфтов в соединениях, манометр снабжается упругим
волоском 6 спиральной формы, изготовленным из фосфористой бронзы. Внутренний
конец волоска крепится к оси стрелки, а внешний - к неподвижной части прибора.
Под действием давления внутри трубки
свободный конец ее перемещается и тянет за собой тягу 10. При этом
поворачиваются зубчатый сектор и трибка, на оси которой насажена стрелка.
Рис. 4.7. Устройство манометра с
трубчатой пружиной
Конец стрелки показывает на шкале
прибора величину измеряемого давления. Ход стрелки от нулевой отметки до
верхнего предела шкалы должен составлять 270°.
.5 Электроконтактные
приборы и реле давления
Электроконтактные приборы и реле
давления применяют при автоматизации технологических процессов в схемах
сигнализации, устройствах тепловой защиты агрегатов и ряде других устройств.
Электроконтактные приборы выпускают обычно с показывающим отсчетным
устройством, поэтому они могут быть использованы одновременно для целей
измерения и сигнализации избыточного или вакууммет-рического давления. Реле
(или сигнализаторы) давления для целей измерения не могут быть использованы,
так как они не имеют отсчетных устройств.
Рис. 4.8. Электроконтактный манометр
типа ЭКМ: а - схема прибора; б - внешний вид манометра
Электроконтактные приборы. Приборы
этого типа изготовляют в виде манометров, мановакуумметров и вакуумметров. На
рис. 4.8 показаны принципиальная схема и внешний вид электрокоитактного
манометра типа ЭКМ. В этом приборе в качестве упругого чувствительного элемента
используется одновитковая трубчатая пружина. По своему устройству прибор типа
ЭКМ отличается от рассмотренного выше манометра (рис. 4.5) лишь наличием
специальных электроконтактов 1-3. Установка электроконтактов 1 и 2 может быть
произведена на любые отметки рабочей части шкалы манометра вращением винта в
головке 5, находящейся на наружной стороне стекла (рис. 4. 8,6).
Если измеряемое давление среды в
объекте уменьшится и достигнет того минимального значения шкалы, на которое
установлен контакт 1, стрелка 4 с помощью контакта 3 замкнет цепь и включит
лампу Л3 определенного цвета, например зеленого. Если же давление
среды увеличится до верхнего заданного значения, то стрелка с помощью контакта
3 замкнет контакт 2, а следовательно, и цепь красной лампы ЛК.
4.6 Приборы давления с
электрическими и пневматическими преобразователями
Приборы давления с электрическими и
пневматическими преобразователями, или так называемые первичные приборы
давления, получили широкое применение в различных отраслях промышленности для
дистанционного измерения избыточного, вакуумметрического и абсолютного давления
газа и жидкости, не агрессивных по отношению к сплавам на медной основе и
углеродистым сталям.
Первичные приборы давления
применяются в комплекте с вторичными приборами и автоматическими регуляторами,
а приборы с унифицированным выходным сигналом постоянного тока используются
также и с информационно-вычислительными машинами при создании АСУ ТП. Ниже
рассмотрим приборы давления с электрическим и пневматическим выходными
сигналами, широко применяемые в энергетике и других отраслях промышленности.
Эти приборы относятся к группе унифицированной системы электрических и
пневматических взаимозаменяемых приборов ГСП.
Первичные приборы типа МЭД. Эти
приборы, выпускаемые заводом «Манометр», предназначены для измерения и
непрерывного преобразования избыточного или вакуумметрического давления в
унифицированный выходной сигнал переменного тока.
В приборах МЭД применяется
унифицированный взаимозаменяемый передающий дифференциально-трансформаторный
преобразователь с нормированной взаимной индуктивностью между первичной и
вторичной цепями его 0-10 мГ. В зависимости от верхнего предела измерения
давления в приборах МЭД применяют трубчатые пружины различной жесткости.
Приборы МЭД выпускаются классов точности 1 и 1,5. Допускаемая в условиях
эксплуатации температура окружающего воздуха - от 5 до 50°С при относительной
влажности воздуха до 80%.
На рис. 4.9 схематично показан
первичный прибор типа МЭД без отсчетных устройств. Действие этого прибора
основано на использовании деформации одновитковой трубчатой пружины 1,
свободный конец которой, связанный с сердечником 2
дифференциально-трансформаторного преобразователя 5, перемещается
пропорционально измеряемому давлению среды.
Изменение положения сердечника
дифференциально-трансформаторного преобразователя вызывает изменение взаимной
индуктивности между его обмотками, а следовательно, и электрических параметров
(напряжения и фазы) сигнала на выходе прибора.
Рис. 4.9. Прибор давления типа МЭД
Приборы давления,
снабженные преобразователями с магнитной компенсацией, разработаны
НИИТеплоприбором совместно с ВТИ и предназначены для измерения давления газа
или жидкости. Эти приборы, выпускаемые казанским заводом «Теплоконтроль»,
изготовляются без отсчетных устройств в виде следующих первичных измерительных
устройств: манометров абсолютного давления мембранных (МАДМЭ) с верхними
пределами измерения абсолютного давления 0,1 и 0,6 кгс/см² (10 и 60 кПа);
манометров мембранных (ММЭ) с верхними пределами измерения избыточного давления
от 1,6 до 25 кгс/см² (от 0,16 до 2,5 МПа); манометров с трубчатой пружиной (МПЭ) с
верхними пределами измерения избыточного давления от 25 до 600 кгс/см² (от 2,5 до 60 МПа). В
приборах этого типа используется унифицированный передающий линейный
преобразователь с магнитной компенсацией.
Приборы давления электрические с
силовой компенсацией, разработанные НИИтеплоприбором при участии завода
«Манометр», построены по блочному принципу с использованием унифицированного
электросилового преобразователя, полупроводникового усилителя УП-20 и
измерительных блоков с различными по назначению упругими чувствительными
элементами.
Рассматриваемые приборы давления без
отсчетных устройств с унифицированным выходным сигналом постоянного тока 0-5
или 0-20 мА изготавливаются заводом «Манометр» в виде следующих модификаций:
тягомеров сильфонных (ТС-Э) с верхними пределами измерения вакуумметрического
давления газа от 40 до 4000 кгс/м² (от 0,4 до 40 кПа); напоромеров сильфонных (НС-Э) с верхними
пределами измерения избыточного давления газа от 40 до 4000 кгс/м² (от 0,4 до 40 кПа);
тягонапоромеров сильфонных (ТНС-Э) с верхним пределом измерения избыточного и
вакуумметрического давления газа от ±20 до ±2000 кгс/см² (от ±0,2 до ±20 кПа);
вакуумметров сильфонных (ВС-Э) с верхним пределом измерения вакуумметрического
давления газа от 0,25 до 1 кгс/см² (от 25 до 100 кПа); мановакуумметров сильфонных (МВС-Э) с
диапазонами измерения избыточного и вакуумметрического давления газа от -1-4 -
0,6 до -1 + 24 кгс/см² (от-0Л ч - 0,06 до - 0,1 - к 2,4 МПа); манометров абсолютного
давления сильфонных (МАС-Э) с верхними пределами измерения абсолютного давления
газа от 0,06 до 25 кгс/см² (от 0,006 до 2,5 МПа); манометров сильфонных (МС-Э) с верхним
пределом измерения избыточного давления газа от 0,25 до 25 кгс/см² (от 0,025 до 2,5 МПа);
манометров пружинных (МП-Э) с верхним пределом измерения избыточного давления
газа и жидкости от 25 до 1000 кгс/м² (от 2,5 до 100 МПа); манометров пружинных сверхвысокого давления
(МСв-Э) с верхним пределом измерения избыточного давления газа и жидкости от
1000 до 10 000 кгс/см² (от 100 до 1000 МПа). В манометрах типа МП-Э используются
трубчатые пружины, показанные на рис. 10-2-9, а в приборах типа МСв-Э
применяется прямолинейная трубчатая пружина с эксцентричным каналом (см. рис.
10-2-13). Все эти приборы давления выпускаются классов точности 0,6; 1 и 1,5,
кроме манометров типа МАС-Э, имеющих классы точности 0,6; 1; 1,5 и 2,5 в
зависимости от диапазона измерения.
.
Приборы давления электрические
Электрические приборы, применяемые в
технике для измерения давления различных сред, используются главным образом для
исследовательских целей. В основу действия этих приборов положены различные
физические явления, например возникновение электростатических зарядов при
деформации некоторых кристаллов в определенном направлении, изменение
электрического сопротивления проводников при воздействии измеряемого давления,
изменение индуктивности или электрической емкости и т.д. Следует отметить, что
емкостные приборы давления имеют весьма ограниченное применение вследствие
малой чувствительности и зависимости характеристик от температуры.
Расчет чувствительного элемента
По заданным габаритным
размерам примем радиус оси пружины R
= 54 мм, длину большой полуоси сечения а = 8 мм и центральный
угол 
=
270°.
По заданным условиям
подсчитаем безразмерную величину чувствительности 
.
Для этого по величине полного перемещения конца пружины 
=
4,8 мм и формуле находим относительный угол поворота конца пружины 
где
коэффициент Г определим по кривой (рис. 4): при 
=
270° Г = 5,80. Следовательно, 
, и тогда относительная
чувствительность
Вычислим 
.
Затем, задаваясь различными значениями 
по номограмме, находим
ряд отношений 
осей
сечения, соответствующих 
=
8746,3 (см. табл. 6.1). Для этих вариантов по кривым 
определим
безразмерные напряжения, а затем по формуле вычислим 
.
Так как допускаемое напряжение 
МПа, то первые четыре
варианта отбрасываем. Для оставшихся вариантов определим тяговую силу.
Тяговое усилие Qr выражается через тяговый момент с помощью формулы
где при =
270° коэффициент Гr
= 10,2.
В свою очередь,
момент МT
связан с безразмерной величиной 
выражением.
В этом случае
Величину находим
по номограмме. Результаты вычисления силы Qr приведены в табл. 6.1. Требованию Qr > 6,3 Н удовлетворяет 5-й вариант, для которого и определим все
остальные геометрические параметры: h = 0,045∙а = 0,045∙8 = 0,36 мм; 
1,78
мм.
Таблица 6.1