Технические измерения и приборы

вующей на площадь в один квадратный метр (Н/м2). Широко применяются кратные единицы килопаскаль (кПа) и мегапаскаль (МПа).

Применяются такие единицы, как килограмм-сила на квадратный сантиметр (1 кгс/см2 = 1 ат – атмосфера техническая) и кило- грамм-сила на квадратный метр (кгс/м2), последняя численно равна миллиметру водяного столба (мм вод. ст.).

Физическая атмосфера (атм) – равна нормальному давлению атмосферного воздуха 760 мм рт. ст. при 0 C и нормальном ускорении свободного падения, равному 9,80665 м/с2 (1 атм = 760 мм рт. ст. = =101,325 кПа = 1,0332 кгс/см2).

Бар – внесистемная единица измерения атмосферного давления – бар равен 100 кПа; 1 psi – 1 английский фунт на квадратный дюйм.

В табл. 7.1 приведены перечисленные единицы давления и соотношения между ними.

Т а б л и ц а 7 . 1

Единицы измерения давления

7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАНОМЕТРОВ

7.1.1. По виду измеряемого давления

Прибор, измеряющий атмосферное давление, называют барометром, отсюда атмосферное давление – барометрическим.

Прибор, предназначенный для измерения абсолютного давления, называют манометром абсолютного давления.

221

Приборы, измеряющие избыточное или вакуумметрическое давление, называются манометром избыточного давления или вакуумметром соответственно.

Прибор, измеряющий малое избыточное давление (например, давление воздуха, подаваемого в топку котла), называется напоромером. Прибор, измеряющий малое разрежение газа (например, в газоходе котла), называется тягомером. Диапазон измерения этих приборов до 40 кПа (0,4 кгс/см2).

Прибор, предназначенный для измерения вакуумметрического и избыточного давлений, называется мановакуумметром, а для измерения малых давлений и разрежений газа – тягонапоромером, с пределами измерения до ±20 кПа (±0,2 кгс/см2).

Прибор, измеряющий очень малые давления (ниже и выше барометрического) и незначительные разности давлений, называют микроманометром.

Прибор для измерения разности давлений – дифференциальный манометром или дифманометр.

7.1.2. По принципу преобразования измеряемого давления

В зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия давления на чувствительный элемент в показания или пропорциональные изменения другой физической величины, средства измерения давления разделяются на жидкостные, деформационные, грузопоршневые, электрические, ионизационные и тепловые приборы.

По устройству приборы для измерения давления можно разделить на пять основных групп общепромышленных измерительных приборов и преобразователей ГСП:

1)механические,

2)с дифференциально-трансформаторными преобразователями,

3)с компенсацией магнитных потоков,

4)с силовой компенсацией,

222

5) с тензопреобразователями.

Каждая из групп при общей элементной базе и установочных размерах обеспечивает измерение и преобразование давления в унифицированный сигнал в пределах, регламентируемых ГОСТ 18140-77, 2405-72, 2648-78 и указанных в табл. 7.2. Для перехода от мегапаскалей к килограмм-силы на квадратный сантиметр и от килопаскалей к килограмм-силы на квадратный метр члены соответствующих рядов умножаются на 10 1 и на 102.

223

7.2.ДЕФОРМАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ

Вдеформационных манометрах используется зависимость де-

формации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Пропорциональная давлению деформация или сила преобразуется в показания или соответствующие изменения выходного сигнала. Большинство деформационных манометров и дифманометров содержит упругие чувствительные элементы, осуществляющие преобразование давления в пропорциональное перемещение рабочей точки.

Наиболее распространенные упругие чувствительные элементы представлены на рис. 7.1, к их числу относятся трубчатые пружины (рис. 7.1, а), сильфоны (рис. 7.1, б), плоские и гофрированные мембраны (рис. 7.1, в, г), мембранные коробки (рис. 7.1, д), вялые мембраны с жестким центром (рис. 7.1, е).

Рис. 7.1. Упругие чувствительные элементы

Статической (упругой) характеристике чувствительного элемента, связывающей перемещение рабочей точки с давлением, присуще наличие начальной зоны пропорциональных перемещений рабочей точки, в которой имеют место упругие деформации, и нелинейной области, в которой возникают пластические деформации. Несовершенство упругих свойств материалов чувствительных элементов

224

обусловливает наличие гистерезиса статической характеристики и упругое последействие. Последнее проявляется в запаздывании перемещения рабочей точки по отношению к приложенному давлению и медленном возвращении ее в начальное положение после снятия давления.

Форма и крутизна статической характеристики зависят от конструкции чувствительного элемента, материала, температуры. Рабочий диапазон выбирается в области упругих деформаций с обеспечением запаса на случай перегрузки чувствительного элемента давлением. Упругие свойства чувствительных элементов характеризуются коэффициентом жесткости по силе:

где F – сила, действующая на упругий чувствительный элемент (перестановочное усилие), Sэ – эффективная площадь элемента; h – перемещение рабочей точки.

Полые одновитковые трубчатые пружины (рис. 7.1, а), имеют эллиптическое или плоскоовальное сечение. Один конец пружины,

вкоторый поступает измеряемое давление, закреплен неподвижно

вдержателе, второй (закрытый) может перемещаться. Под действием разности измеряемого внутреннего давления и внешнего атмосферного трубчатая пружина деформируется: малая ось сечения трубки увеличивается, большая уменьшается, при этом пружина раскручи-

вается, и ее свободный конец совершает перемещение в 1 3 мм. Для давлений до 5 МПа трубчатые пружины изготовляют из латуни, бронзы, а для более высоких давлений – из легированных сталей и сплавов никеля.

Сильфонные и мембранные чувствительные элементы имеют более широкие возможности для увеличения эффективной площади с целью получения требуемого перестановочного усилия, что позволяет использовать их для измерения малых избыточных давлений и разрежения. Сильфон (рис. 7.1, б) представляет собой тонкостенную трубку с поперечными кольцевыми гофрами на боковой стенке. Жесткость сильфона зависит от материала, наружного и внутреннего диаметров, толщины стенки заготовки, радиуса закругления гофр r,

225

угла их уплотнения и числа гофр. Сильфоны бывают цельнотянутыми и сварными.

Наиболее разнообразными по конструкции являются чувствительные мембранные элементы. Представленная на рис. 7.1, б плоская или пластинчатая мембрана представляет собой гибкую тонкую пластину, закрепленную по окружности.

Под действием разности давлений, действующих с обеих сторон на мембрану, ее центр перемещается. Плоская мембрана имеет упругую нелинейную характеристику и малые перемещения рабочей точки, в связи с чем ее в основном применяют для преобразования давления в силу (пьезоэлектрические преобразователи) или поверхностные деформации (тензопреобразователи).

Для улучшения статической характеристики используют гофрированные мембраны и мембранные коробки (см. рис. 7.1, г, д). Профили мембран могут быть пильчатыми, трапецеидальными, синусоидальными. Гофрирование мембраны приводит к увеличению ее жесткости, спрямлению статической характеристики и увеличению зоны пропорциональных перемещений рабочей точки. Более широко используются мембранные коробки, которые представляют собой сваренные или спаянные по внешней кромке мембраны. Жесткость коробки вдвое ниже жесткости каждой из мембран. В дифманометрах, чувствительных элементах регуляторов прямого действия используются мембранные блоки, включающие две коробки и более.

В напоромерах и тягомерах применяются вялые мембраны (см. рис. 7.1, е), изготовленные из бензомаслостойкой прорезиненной ткани. В центре мембраны крепятся металлические пластины, в одну из которых упирается винтовая пружина, выполняющая функции упругого элемента.

Упругие свойства материалов чувствительных элементов зависят от температуры; так, у трубчатых пружин температурный коэффициент снижения жесткости при росте температуры достигает 3 10 4 1/°C. Это определяет необходимость защиты приборов от воздействия высоких температур измеряемой среды. С течением времени у упругих чувствительных элементов накапливаются пластические деформации и уменьшаются упругие свойства. Это приводит к снижению крутизны

226

статической характеристики прибора и ее смещению. Процесс изменения статической характеристики ускоряется при повышенной температуре и пульсации измеряемого давления. Конструкция деформационных манометров и дифманометров обычно предусматривает возможность коррекции отклонений показаний или выходного сигнала, вызванных старением упругого чувствительного элемента.

В соответствии с используемым типом чувствительного элемента деформационные манометры разделяются на трубчато-пружинные, сильфонные и мембранные манометры.

7.2.1. Трубчато-пружинные манометры

Большинство показывающих, самопишущих, сигнализирующих манометров и преобразователей давления с трубчатой пружиной являются устройствами прямого преобразования, в которых давление последовательно преобразуется в перемещение чувствительного элемента и связанного с ним механически показывающего, регистрирующего, контактного устройства, элемента пневматического или электрического преобразователя.

Схема показывающего трубча- то-пружинного манометра представлена на рис. 7.2.

Одновитковая трубчатая пружина 1 с одного конца приварена к держателю 2, прикрепленному к корпусу манометра. Нижняя часть держателя заканчивается шестигранной головкой и штуцером, с помощью которого к манометру подсоединяется трубка, подводящая давление. Свободный конец пружины 1 припаян к пробке 3, которая шарнирно соединяется с поводком 4. При перемещении свободного конца

227

пружины поводок поворачивает зубчатый сектор 5 относительно оси O, вызывая поворот шестерни (трибки) 6 и сидящей на одной оси с ней показывающей стрелки 7. Пружина, не показанная на рисунке, обеспечивает поджатие зубцов трибки к зубцам сектора, устраняя люфт. Статическая характеристика манометра может подстраиваться путем изменения точки закрепления поводка 4 в прорези сектора 5. На рис. 7.2 показано радиальное размещение штуцера; выпускаются также манометры с осевым размещением штуцера.

Трубчато-пружинные показывающие манометры выпускаются с верхним пределом измерения от 0,1 МПа (1 кгс/см2) до 103 МПа (104 кгс/см2) в соответствии со стандартным рядом. Пружинные вакуумметры имеют диапазон измерения от минус 0,1 до 0 МПа, а мановакуумметры при нижнем пределе измерения минус 0,1 МПа имеют верхний предел измерения по избыточному давлению от 0,1 до 2,4 МПа. Образцовые показывающие пружинные манометры имеют класс точности 0,15; 0,25 и 0,4; рабочие – 1,5; 2,5; 4, рабочие повышенной точности – 0,6 и 1.

Рис. 7.3. Самопишущий манометр типа МТС

228

Промышленностью выпускаются механические показывающие и самопишущие манометры с одновитковой (типа МТ) и многовитковой (типа МТМ) трубчатой пружиной.

Под действием измеряемого давления свободный правый конец трубчатой многовитковой пружины 1 перемещается, вызывая поворот оси 2 и сидящего на ней рычага 8. Последний соединен с тягой 4, которая с помощью рычага 5 поворачивает ось 6, на которую насажен П-образный рычаг 7, заканчивающийся пером 8. В показывающих приборах на ось 6 насажен рычаг 9, тягой соединенный с сектором, перемещающим трибку показывающей стрелки. Дисковая диаграмма 10 совершает один оборот за 12 или 24 ч, ее вращение осуществляется электрическим двигателем или часовым механизмом. Класс точности показывающих и самопишущих манометров 1; 1,5, они относятся к числу крупногабаритных приборов, размеры которых определяются диаметром дисковой диаграммы.

7.2.2. Электроконтактные манометры

Для сигнализации предельных отклонений давления в цепях защиты и позиционного регулирования широко применяются электроконтактные манометры. Схема манометра типа ЭКМ представлена на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Электроконтактный манометр

229

В показывающий манометр дополнительно введены две стрелки 2, 3, к которым упругими токоподводами поджаты электрические контакты 4. Стрелки 2, 3 с помощью торцевого ключа и поводка 5 устанавливаются против значений сигнализируемого давления. Показывающая стрелка 1 также снабжена электрическим контактом 6. Если давление находится в пределах рабочего диапазона, то электрические цепи сигнализации разомкнуты. При достижении показывающей стрелкой любой из контактных стрелок замыкается электрическая цепь, вызывая срабатывание сигнализации.

Электрические контакты остаются замкнутыми при нахождении показывающей стрелки за пределами рабочего диапазона давления, поскольку стрелки 2, 3 ограничивают смещение контактов внутрь рабочего диапазона, а вне его контакты увлекаются показывающей стрелкой 1. Класс манометров и вакуумметров – 1,5; пределы измерения соответствуют стандартному ряду.

230