4.1.1. Классификация приборов для измерения давления

по принципу действия

По принципу действия приборы для измерения давления делятся на:

а) жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости;

б) деформационные (пружинные), измеряющие давление по величине деформации различных упругих элементов или по развиваемой ими силе;

в) электрические, основанные либо на преобразовании давления в какую-нибудь электрическую величину, либо на изменении электрических свойств материала под действием давления [3].

Ниже приведена развернутая классификация датчиков измерения давления.

4.1.1.1. Жидкостные манометры

Жидкостные манометры отличаются простотой конструкции и сравнительно высокой точностью измерения. Их широко при­меняют как в качестве переносных (лабораторных), так и тех­нических приборов для измерения давления. Переносной U-образный манометр, представляющий собой согнутую в виде буквы U стеклянную трубку 1, показан на рис.4.1. Трубка закреплена на доске 2 со шкалой 3, расположенной между коленами трубки, и заполнена жидкостью (спиртом, во­дой, ртутью). Один конец трубки соединен с полостью, в кото­рой измеряется давление, другой конец трубки сообщается с атмосферой. Под действием измеряемого давления жидкость в трубке перемещается из одного колена в другое до тех пор, пока измеряемое давление не уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости в открытом колене. Если давление в полости, с которой соединен прибор, ниже атмосферного, то жидкость в коленах переместится в обратном направлении, и высота ее столба будет соответствовать вакууму. Присоединив оба колена трубки к полостям с различными давлениями Р₁ и Р₂, можно определить разность давлений. Манометр заполняют жидкостью до нулевой отметки шкалы. Для определения высоты столба жидкости необходимо сделать два отсчета (снижение в одном колене и подъем в другом) и суммировать их величины, т. е. H = h₁ + h₂ [3].

Рис. 4.1. U – образный жидкостной манометр

4.1.1.2. Деформационные манометры

Классификация пружинных приборов для измерения давления по типу

чувствительного элемента

По виду упругого чувствительного элемента (рис.4.2) пружинные приборы делятся на следующие группы [3]:

1) приборы с трубчатой пружиной, или собственно пружинные (рис.4.2 а, б);

2) мембранные приборы, у которых упругим элементом служит мембрана (рис.4.2в), анероидная или мембранная коробка (рис.4.2г, д), блок анероидных или мембранных коробок (рис.4.2е, ж);

3) пружинно - мембранные с гибкой мембраной (рис.4.2з);

4) приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном) (рис.4.2к);

5) пружинно - сильфонные (рис.4.2и).

Рис. 1. Типы пружинных устройств

Рис. 4.2. Виды упругих чувствительных элементов

Устройство, принцип действия и область применения приборов

с упругими чувствительными элементами

Манометры с одновитковой трубчатой пружиной

Действие пружинных приборов основано на измерении величины деформации различного вида упругих элементов. Деформация упругого чувствительного элемента преобразуется передаточными механизмами того или иного вида в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

Наиболее широко применяются приборы (манометры, вакуумметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой трубчатой пружиной. Основная деталь прибора с одновитковой трубчатой пружиной – согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения (рис. 4.3). Одним концом трубка заделана в держатель, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки (рис. 4.3). Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшится, и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Так как один конец трубки закреплен, то при изменении кривизны трубки ее свободный конец перемещается по траектории, близкой к прямой, и при этом воздействует на передаточный механизм, который поворачивает стрелку показывающего прибора. Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости, является следствием изменения формы сечения. Под действием измеряемого давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь под действием силы F=P*S, где S – площадь воздействия давления, приближается к круговому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая уменьшается) [3].

Рис 4.3. Схема трубчатой пружины (а) и ее

эллипти­ческое (б), плоскоовальное (в) поперечные сечения:

1 – трубка; 2 – держатель

Манометры с многовитковой трубчатой пружиной

Благодаря большому числу витков перемещение свободного конца многовитковой трубчатой пружины и развиваемые усилия до­стигают значений, позволяющих осуществлять показания и запись измеряемого давления или разрежения. На рис.4.4 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

Рис. 4.4. Схема самопишущего манометра с многовитковой трубчатой пружиной

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 11 с 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 [1].

Мембранный манометр

Упругим элементом мано­метра (рис.4.5) является гофрированная мембрана 3, края которой за­жаты между фланцами чашек 1 и 7. Чашка имеет ниппель 2, которым манометр присоединяют к измеряемому давлению. Верхняя чашка 7 представляет собой одно целое с корпусом манометра 5. В центре мембраны 3 закреплена стойка 4, шарнирно соединенная с поводком 6. Последний соединен с секто­ром зубчато-секторного передаточного механизма. Наиболее удобны мембранные манометры для измерения давления вязких жидкостей или химически агрессивных сред.

Рис.4.5. Мембранный манометр

Манометр с сильфонным чувст­вительным элементом

Приборы этого типа пред­назначены для измерения избыточного давления, разрежения и разности давлений. Их 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 12 и укрепленный на ней П-образный рычаг 2. К П-образному ры­чагу прикреплена стрелка 1 с пером. Запись измеряемого давления производится на дисковой 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 [1].

Рис. 4.6. Схема самопишущего сильфонного манометра

Возможные источники систематических погрешностей

приборов с упругим чувствительным элементом

Возможные источники систематических погрешностей:

 Переход за предельное по шкале давление при измерении, хотя бы один раз за все время измерений. Предельное давление, при котором еще сохраняется линейная зависимость между перемещениями конца трубки (чувствительного элемента) и давлением, называется пределом пропорциональности трубки. При переходе давления за предел пропорциональности трубка приобретает остаточную деформацию и становится непригодной для измерения.

 Механическая характеристика трубки, т.е. значение предела пропорциональности и величина перемещения свободного конца, зависит от ряда факторов, из которых наиболее важными являются отношение осей сечения трубки, толщина ее стенок, модуль упругости материала и радиус дуги изгиба трубки.

 Трение трубки о внутренние части прибора в результате их поломки.

 Периодическое изменение температуры при измерениях. Материал трубки по-разному сжимается и разгибается в зависимости от температуры [6].

Устройство и принцип действия грузопоршневого

манометра МП -60

Грузопоршневые манометры в основном применяются для градуировки и поверки различных видов пружинных манометров, так как отличаются высокой точностью и широким диапазоном измерений от 0,098 до 980 МН/м² (1—10000 кгс/см²). Принцип действия грузопоршневых манометров следующий. На поршень, свободно движущийся в цилиндре, действуют две силы: сила от давления жидкости, с одной стороны, и сила тя­жести положенных на поршень грузов – с другой. Образцовый грузопоршневой манометр (рис.4.7–4.8) состоит из колонки, укрепленной на станине прибора, в которой имеется вертикальный цилиндрический канал, в нем движется пришлифованный поршень, несущий на верхнем конце тарелку для установки грузов. Верхняя часть колонки снабжена воронкой для сбора масла, просачивающегося через зазор между поршнем и цилиндром. В станине высверлен горизонтальный канал, в расширенной части которого движется посредством винтового штока поршень 7, уплотненный манжетами. Канал в станине соединяется с каналом колонки и каналами двух бобышек, предназначенных для укреп­ления поверяемых манометров. Кроме того, с каналом станины соединен канал воронки 8, которая служит для заполнения системы маслом. Каналы для отсоединения их от канала станины снабжены игольчатыми вентилями 9-12. Назначение вентиля 13 - спуск масла из прибора. Максимальное давление, создаваемое грузами, 4,90 МН/м² (50 кгс/см²). Рассчитывается по формуле:

,

где f_эф – эффективная площадь сечения штока поршня. А показывает ли поверяемый манометр с упругим чувствительным элементом такое же давление? Для поверки манометров на большее давление пользуются поршневым прессом, отсоединив от прибора поршневую колонку 1 вентилем 10. В качестве при­бора сравнения применяют образцовый пружинный манометр: его присоединяют к одной из бобышек 4, а поверяемый прибор - к другой бобышке [6].

Рис.4.7. Схема образцового поршневого манометра:

1 — колонка; 2— поршень; 3 и 8 — воронки; 4 — бобышки;

5 — канал; 6 — тарелка; 7 — поршень; 9 – 13 —вентили

Рис.4.8. Грузопоршневой манометр МП-600