4 Автоматическое измерение давления Приборы измерения давления

В зависимости от пределов измеряемого давления и назначения приборы для измерения давления разделяются на три основные группы:

– манометры, вакуумметры, мановакуумметры – предназначены для измерения избыточного давления или разряжения (вакуума);

– тяго и напоромеры – для измерения небольших избыточных давлений и разряжений;

– дифференциальные манометры – для измерения разности давлений.

По принципу действия манометры разделяются на три группы:

– жидкостные, в которых измеряемое давление определяется высотою столба жидкости, уравновешивающей это давление;

– пружинные, в которых измеряемое давление определяется степенью деформации упругих элементов – пружин, мембран, сильфонов;

– электрические, в измеряемое давление преобразуется в сопротивление.

4.1 Жидкостные манометры.

В жидкостных манометрах измеряемое давление (или разряжение) уравновешивается столбом рабочей жидкости определенной высоты.

Наиболее распространен U – образный манометр. Он представляет собой согнутую в виде U – образную стеклянную трубку 1, заполненную до нулевой отметки рабочей жидкостью. Манометр снабжен миллиметровой шкалой 2. Конец трубки 3 соединен с атмосферой, конец 4 – с измеряемой средой – рисунок 65.

Рисунок 65 – U–образный манометр

Величина измеряемого давления определяется зависимостью:

(4.1)

где – разность уровней жидкости, м;

– удельный вес рабочей жидкости, н/м³.

Разновидностью – образных манометров являются чашечные и кольцевые. Достоинства – простота устройства, высокая точность(ошибка 0,5–1мм).

Недостатки – невозможность использования устройств в схемах автоматического регулирования.

Тарируют манометры при температуре 20^оС, поэтому при других температурах необходимо вносить поправки на изменение удельного веса жидкости и относительное удлинение шкалы, которые определяются по формуле:

,

(4.2)

где – высота столба жидкости при тарировочной температуре;

– высота жидкости при температуре измерения;

– температурный коэффициент линейного расширения материала шкалы;

– температурный коэффициент объемного расширения рабочей жидкости.

4.2 Пружинные манометры

Действие основано на уравновешивании измеряемого давления усилиями деформации чувствительных упругих элементов (пружин). Величина деформации упругого элемента преобразуется с помощью передаточного механизма в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

В зависимости от типа чувствительного элемента пружинные приборы разделяются на три группы: с одновитковой трубчатой пружиной, с многовитковой (винтовой) трубчатой пружиной, с мембранным чувствительным элементом – рисунок 66.

Рисунок 66 – Схемы упругих элементов пружинных приборов:

а – одновитковая трубчатая пружина; б – многовитковая трубчатая пружина; в – сильфон внутреннего действия среды; г – сильфон внешнего действия среды; д – упругая мембрана

Манометрическая одновитковая трубчатая пружина – представляет собой полую трубку, изогнутую по окружности на 270^о, имеющую в сечении форму эллипса. Один конец ее запаян и связан передаточным механизмом (зубчатым или рычажным) с указывающей стрелкой. К другому концу пружины (неподвижному) подводится измеряемое давление. Увеличение внутреннего давления в трубчатой пружине приводит к изменению эллиптической формы ее сечения на круглую, в результате чего малая ось эллипса увеличивается, а большая уменьшается.

Внешние слои трубки растягиваются, а внутренне сжимаются, вследствие чего радиус кривизны трубки растягивается, а центральный угол уменьшается.

Кроме манометра с указывающей стрелкой, выпускаются такие манометры с контрольной стрелкой и электрическими устройствами.

Манометры с многовитковой трубчатой пружиной чаще всего выпускаются как самопишущие приборы с дистанционной передачей показаний. Упругий элемент такого манометра представляет собой винтовую трубчатую пружину, выполненную из полой спиральной трубки, в витками, расположенными по винтовой линии.

В сечении пружина имеет форму эллипса или сплюснутой окружности. На рисунке 67а показана схема манометра с многовитковой трубчатой пружиной.

Измеряемое давление подводится через капиллярную трубку 1 и воздействует на многовитковую пружину 2. Один конец пружины припаян к угольнику, который крепится к корпусу прибора, другой соединен с осью 3. При повышении измеряемого давления свободный конец пружины перемещается в направлении, показанном на рисунке, и вращает ось 3. Вращение оси через закрепленный на ней рычаг 4 и тягу 5 передается рычагу 9, жестко закрепленному на одной оси со стрелкой 7. Таким образом, изменение давления вызывает перемещение на пропорциональный угол стрелки 7, на конце которой закреплено перо 8. Перо записывает давление на круговой диаграмме, которая приводится в движение часовым механизмом или синхронным двигателем СД–60;

Рисунок 67 – Манометры трубчатые

Выпускаются показывающие и самопишущие манометры с многовитковой трубчатой пружиной типов МГ – показывающие самопишущие, с пределами измерения 0,59–15, 7 МПа (6 – 160кгс/см²) и аналогичные им манометры с одновитковой пружиной типов МТО и МСТО с пределом измерения 24,5–98,1 МПа (250–1000кгс/см²). Класс точности манометров 1 – 1, 6.

Для измерения и сигнализации предельных значений давления применяются электроконтактные манометры типа ЭКМ с одновитковой трубчатой пружиной, устройство которых аналогично устройству электроконтактного манометрического термометра типа ЭКТ.

Общий вид электроконтактного манометра ЭКМ показан на рисунке 67б. Весь механизм манометра заключен в корпус 1, через штуцер 2 подводится измеряемое давление. Измерительная часть прибора включает указательную стрелку 3, сигнальные стрелки 4 и 5 (максимально и минимального давления) предельных электроконтактов, устанавливаемых на заданное значение давлений, и коробку 6 для включения прибора в цепь сигнализации. При достижении одного из заданных значений давления контакт, связанный с указательной стрелкой, соприкасается с контактом, расположенным на соответствующей предельной стрелке, и замыкает электрическую цепь сигланизации.

В мясной и молочной промышленности применяются манометры типа ЭКМ с трубчатой пружиной из латуни на верхний предел измерений 0,09 – 5,88 МПа. Электроконтактное устройство прибора питается от сети постоянного тока напряжением до 220В или переменного до 380В.

Для дистанционной передачи измерений давления применяется электрический дистанционный манометр МЭД с дифференциально–трансформаторным датчиком рисунок 67в. Свободный конец одновитковой трубчатой пружины 1 прибора связан рычагом со стальным плунжером 5 индукционной катушки 4. Штуцер 6 с резьбой служит для монтажа прибора. Регулировка нуля прибора осуществляется изменением положения плунжера относительно катушки с помощью регулировочного винта 3.

Манометры типа МЭД с пределом измерений 0,98–3,92 МПа применяются в комплекте с вторичным дифференциально-трансформаторными приборами типов ДС, ДСР, КС.

Манометры мембранные. Чувствительным элементом данных приборов является упругая пластина – мембрана. Наиболее широкое применение нашли мембранные дифманометры, напоромеры тягомеры, используемые для измерения разности давлений и расходов газа, пара и жидкостей.

На рисунке 68 показана схема мембранного дифманометра типа ДМИ, который представляет собой бесшкальный первичный прибор, предназначенный для измерения разности давлений, разрежения или напора неагрессивных жидкостей, пара, газа и преобразования измеренной величины в пропорциональный электрический сигнал для передачи его на расстояние.

Мембрана 1 дифманометра зажата между крышками 2 и 3 корпуса, образуя две полости манометра. Измеряемое давление и подводится по трубкам 4 и 5. Разность давлений, воспринимаемая мембраной, вызывает ее прогиб, в связи с чем жестко связанный с ней сердечник 6 перемещается в катушке 7 дифференциально–трансформаторного датчика, занимая, соответствующее положение, при котором усилие от разности давлений уравновешивается силой пружины 8.

Рисунок 68 – Схемы мембранных манометров

Манометры сильфонные. Чувствительным элементом этих приборов является сильфон. Представляющий собой металлический цилиндр с гофрированными стенками. Сильфоны изготовляются из латуни, бериллиевой бронзы, нержавеющей стали. Действие осевой нагрузки на сильфон (внешнего или внутреннего давления) приводит к изменению длины его (сжатие или растяжение – в зависимости от направления действующей нагрузки). В пределах рабочего диапазона давлений деформация сильфона приблизительно пропорциональна действующему усилию, т.е. характеристика близка к линейной. Для увеличения жесткости, для уменьшения влияния гистерезиса и нелинейности характеристики внутрь сильфона часто помещают проволочную цилиндрическую пружину, жесткость которой в несколько раз превышает жесткость сильфона.

Принципиальная схема действия реле давления типа РД представлена на рисунке 69.

Рисунок 69 – Реле давления типа РД

Контролируемое давление подается в корпус 2 прибора, в котором находится сильфон 1. К дну сильфона приварен шток 3, который упирается в рычаг 4. При повышении давления сильфон 1 сжимается и перемещает шток 3, который в свою очередь через посредство рычага 4 перемещает рычаг 5, переключающий контактное устройство 6. Равновесное состояние всей системы наступает тогда, когда усилие, создаваемое измеряемым давлением и действующее на дно сильфона, уравновесится усилием упругих деформаций сильфона и винтовой цилиндрической пружины 7. При понижении измеряемого давления, а следовательно, и силы, создаваемой этим давлением, сильфон 1 будет разжиматься под действием пружины 7 и через систему рычагов произойдет новое переключение контактного устройства 6. Настройка прибора на определенное значение давления, при котором должно сработать контактное устройство 6, производится путем изменения натяжения пружины 7 с помощью гайки 8.