книги из ГПНТБ / Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы целлюлозно-бумажной промышленности учеб. пособие

мощью которой движение передается на зубчатый сектор и за­ тем на ось стрелки. Тяга 5 передает движение на узел пневмо­ датчика. Прибор может работать во взрывоопасных помещениях.

Предел измерений дав­ ления поплавковых прибо­ ров достигает 0,25 МПА. Классы точности установ­ лены 1,0 или 1,5.

Поршневые манометры основаны на методе урав­ новешивания измеряемого давления и давления, соз­ даваемого силой тяжести поршня, перемещающегося в цилиндре, и положенных

где г — радиус поршня. Подставляя уравнение

(5.2) в уравнение (5.1), по­ лучим формулу для определения величины измеряемого давления:

Из выражения (5.3) следует, что эффективная площадь поршня, воспринимающая давление, превышает его физическую площадь.

Если не учитывать силу жидкостного трения Т, то уравнение (5.1) упростится и из него получим менее точное, но более про­ стое выражение для нахождения величины измеряемого давления

136

Поршневые манометры отличаются высокой точностью и при­ меняются в широком диапазоне давлений от 0,098 до 980 МПа (от 1 до 10 000 кг/см2). Благодаря этим свойствам они исполь­ зуются в основном как образцовые, в частности для градуировки и поверки пружинных манометров.

§ 3. ПРУЖИННЫЕ МАНОМЕТРЫ

Манометры с упругими элементами нашли широкое примене­ ние в практике измерения давления и величин, связанных с дав­ лением. Простота устройства, надежность в работе, малая инер­ ционность, компактность и большой диапазон измеряемых давле­ ний обусловили их применение в качестве как технических, так и образцовых. Требуемая точность измерения достигается приме­ нением соответствующего метода измерений: прямого или уравно­ вешивающего преобразования измеряемой величины.

Чувствительным элементом, воспринимающим измеряемое дав­ ление, служит манометрический упругий элемент. Последний мо­ жет быть выполнен в виде полой одновитковой (трубка Бурдона) или многовитковой (геликоид) трубчатой пружины, мембраны (плоской или гофрированной) или мембранной коробки, а также в виде сильфона, который часто применяется в сочетании с винто­ выми цилиндрическими пружинами.

Чувствительный элемент преобразует давление в перемещение или усилие, воздействующее либо на стрелку показывающего или регистрирующего прибора, либо на подвижный элемент вторичного преобразователя.

Точность приборов при прямом методе измерения давления независимо от их конструктивной схемы определяется в основном метрологическими характеристиками упругого чувствительного элемента. Это касается в первую очередь точности и стабильности его упругих характеристик.

Вид чувствительного элемента или упругого преобразователя, его размеры, материал выбираются в зависимости от назначения, условий эксплуатации, пределов измерения и требуемой точности пружинных манометров [2].

Установка манометров на линиях контроля и регулирования в целлюлозно-бумажном производстве сопряжена с рядом меро­ приятий, направленных на защиту приборов от влияния исследуе­ мых сред. Для предохранения от действия высокой температуры при измерении давлений в паропроводах перед манометрами уста­ навливаются сильфонные трубки, в которых пар конденсируется и давление передается чувствительному элементу через охлажден­ ный конденсат. При измерении давления химически активных сред следует предусматривать разделительные устройства, а для загрязненных и вязких сред — специальные отборные устройства. Это позволяет приблизить условия эксплуатации приборов к нор­ мальным и использовать пружинные манометры с чувствитель-

.ными элементами, выполненными из обычных материалов.

137

Весьма широкое применение среди приборов для измерений давления жидкостей, газов и пара общетехнического назначения нашли показывающие манометры с трубчатой одновитковой пру­ жиной. К достоинствам этого упругого преобразователя следует отнести простоту и невысокую стоимость изготовления. Строгое соблюдение технологии изготовления трубчатой пружины и пере­ даточного механизма позволяет создавать манометры, не только отвечающие требованиям технических приборов (классов точности 0,6—4), но и образцовых (классов точности 0,2 и даже 0,J).

Схема манометра с одновитковой трубчатой пружиной приве­ дена на рис. 5-3. Прибор обеспечивает механическое преобразова­ ние перемещения конца трубчатой

1пружины 1, возникающего под дейст­ вием измеряемого давления,в поворот стрелки 2 относительно шкалы 7. Пе­ редаточный механизм состоит из по­ водка 4, зубчатого сектора 5 и триба б, на оси вращения которого насажена стрелка. Для исключения влияния за­ зоров в передаче предусмотрена спи­ ральная пружина-волосок 3.

р— радиус кривизны центральной оси трубки до дефор­ мации;

138

Манометры с трубчатой пружиной, свободный конец которой соединен с винтовой пружиной, имеющей межвитковое давление, предназначены для измерения давления не от нуля, а от некото­ рого значения, соответствующего обычно нижнему пределу диапа­ зона измерения давления. Такие манометры имеют безнулевую шкалу.

Манометры с нулевой и безиулевой шкалами, а также бес­ шкальные датчики давления с успехом применяются в целлюлоз­ но-бумажном производстве для измерения давления в трубо­ проводах, предназначенных для подачи массы, в линиях napo-, водо-, газо- и воздухоснабжений и т. п. Установка манометров производится через соответствующие отборные устройства, кото­ рые исключают или сводят к минимуму возможность зашламления измерительных каналов, влияние высоких температур и про­ чих воздействий измеряемых сред.

Манометры с трубчатой пружиной изготавливаются как пока­ зывающие, так и с контактными устройствами, электрическими или пневматическими выходными преобразователями для пере­ дачи результатов измерения давлений на расстояние. Показы­ вающие манометры используются, как правило, в качестве мест­ ных приборов. Электроконтактные манометры служат для сигна­ лизации о достижении максимального или минимального значения давления в объектах, а также для двухпозиционного регулиро­ вания.

Для увеличения чувствительности приборов в ряде случаев вместо одновитковой применяют многовитковую трубчатую пру­ жину. Она представляет собой цилиндрическую плоскую или про­ странственную спираль с шестью-девятью витками. Манометры с таким упругим преобразователем развивают значительные вы­ ходные перемещения или усилия. Эти приборы выполняются, как правило, в качестве самопишущих, а также для дистанционной передачи показаний давления на расстояние.

Мембранные приборы применяются для измерения как избы­ точных давлений и разрежений, так и для перепадов давления.

Упругими преобразователями в этих приборах являются мем­ браны различной конфигурации. Они имеют различные зависи­ мости упругих характеристик, в частности зависимости прогиба центра мембраны WQот давления, воздействующего на мембраны

139

Как видно из уравнения (5.5), зависимость прогиба центра мембраны от давления нелинейна. Величина прогиба является сложной функцией числа, формы, размеров, глубины гофр и мно­ гих других факторов. Значения коэффициентов а и b различны в зависимости от конфигурации мембраны. Например, для мем­ бран со сплошной равномерной гофрировкой значения а и Ь опре­ деляются из формул:

„2(3 + а)(1 + а) .

Ъкі ( і - £ )

\а 2/

где a = V k 1-k2, ; ki, k2— коэффициенты [2];

ц — коэффициент Пуассона.

Для мембран с жестким центром радиуса г0 зависимость Р ~

Значения коэффициентов ц и £, зависящих от величины радиуса жесткого центра го, приведены в работе [2].

t — 1 +

3,58 R i '

Для повышения чувствительности мембранных манометров мембраны соединяют попарно в мембранные коробки, а коробки — в мембранные блоки. В таких манометрах деформация всего упругого преобразователя возрастает пропорционально количе­ ству мембран.

Приборы с мембранными упругими преобразователями выпол­ няются либо в виде показывающих с концентрической горизон­ тально-профильной, вертикально-профильной шкалой, либо в виде датчиков давления для дистанционной передачи показаний.

Примером мембранных датчиков давлений может служить бесшкальный дифманометр-расходомер типа ДМ (рис. 5-4).

Чувствительный элемент состоит из перегородки 1, жестко свя­ занной с блоком мембранных коробок 2 и 3. Внутренняя полость

140

мембранного блока заполнена дистиллированной водой. Измеряе­

блока. Если Р\>Р&, нижняя мембранная коробка сжимается, жид­ кость перетекает в верхнюю мембранную коробку, вызывая пере­ мещение центра верхней мембраны, связанного штоком с магнито­ мягким сердечником 4 дифференциально-трансформаторного пре­ образователя. Сигнал, возникающий при движении сердечника 4 относительно катушек 5 внутри разделительной трубки 6, пода­ ется затем на вторичный электронный дифференциально-транс­

блоков различной жесткости обе­ спечивают разнообразные по зна­ чению пределы измерения пере­ пада давлений этими приборами [27]. Основная погрешность дифманометров в комплекте со вто­ ричным прибором составляеі ±1,5% от верхнего предела шкалы.

К недостаткам мембранных манометров, помимо нелинейной характеристики и сравнительно небольшой чувствительности, сле­ дует отнести также разброс их характеристик от прибора к при­ бору. Последнее связано с не­ воспроизводимостью жесткости

мембран из-за неоднородности физических и химических свойств материала мембран с различием допусков на их конструктивные размеры и с различной технологией обработки при изготовлении.

Снизить влияние разброса упругих характеристик преобразо­ вателей на точность измерения можно путем увеличения коли­ чества мембран в блоке. Как показано в работе [8], среднее квад­ ратическое отклонение бБ упругой характеристики преобразова­

теля, представляющего блок из h мембран, от номинальной будет тем меньше, чем больше мембран в блоке:

где Ом — среднее квадратическое отклонение упругой характери­ стики одной мембраны;

с — коэффициент пропорциональности.

При построении измерительной схемы мембранного манометра по методу силового уравновешивания указанный недостаток мо­ жет быть полностью устранен.

141

Мембранные преобразователи нашли широкое применение в разделительных устройствах, необходимых в целлюлозно-бумаж­ ном производстве, для предохранения чувствительных элементов измерительных приборов и регуляторов от влияния агрессивных сред и зашламления. При измерении давлений кислот, щелочей и других агрессивных сред используются разделительные устрой­ ства типов РМ и УАС, для измерения давления вязких сред — разделители типа УВС [52].

Манометры с сильфоном применяются для измерения и регу­ лирования избыточного давления или разрежения неагрессивных газов. Принцип действия сильфонных преобразователей основан на деформации сильфона в осевом направлении при действии раз­ ных давлений внутри и вне его.

Преобразование давления в осевой прогиб К сильфона описы­ вается приближенным выражением вида [2]:

п— число рабочих гофр сильфона;

Ло, А 1, Л .2 , В0— коэффициенты, зависящие от геометрии силь­

фона;

Rn, Rb — соответственно наружный и внутренний ра­ диусы сильфона.

Для увеличения жесткости и снижения влияния упругого ги­ стерезиса сильфон часто применяется в сочетании с цилиндриче­ скими винтовыми пружинами. Тогда зависимость Я = /(Р ) упру­ гого преобразователя принимает вид

т. е. большой его чувствительностью к давлению, объясняется преимущественное использование сильфонных преобразователей в регистрирующих приборах.

Схема регистрирующего сильфонного манометра типа MC представлена на рис. 5-5. Сильфон 1 с расположенной внутри его цилиндрической винтовой пружиной воспринимает измеряемое давление, подаваемое через капилляр 2 в камеру, ограниченную кожухом 3. При этом перемещение дна сильфона вверх через

142

толкатель 4, рычаг 5 и тягу 6 вызывает поворот рычага 7 с пером для записи показаний на дисковой диаграммной бумаге.

При использовании датчиков давлений с упругими элементами в разнообразных промышленных измерительных устройствах сле­ дует учитывать их динамические характеристики. С точки зрения динамических свойств преобразователи давления с упругим эле­ ментом представляются апериодическим звеном первого порядка. Инерционность преобразователя определяется главным образом временем перемещения вещества

вподводящем трубопроводе.

Втех случаях, когда величина чув­

0,02—0,03 мм), к концам которой при­ вариваются или припаиваются контакты 3 из металлической

фольги. Все это заливается клеем. Сверху проволока часто за­ клеивается тонкой бумагой 4 для предохранения от механических повреждений. Для изготовления проволок используется Констан­ тин, нихром, платиноиридиевый сплав и другие сплавы.

Величина Іо (см. рис. 5-6, а) называется базой преобразова­ теля. Обычно база равна 8—15 мм. Однако в специальных слу­ чаях применяют тензорезисторы и с меньшей базой (до 2,5 мм). Ширина а преобразователей выбирается от 3 до 10 мм, а их со­ противление составляет порядка 50—150 Ом. Когда размеры пре­ образователя не ограничиваются условиями исследования, то длину базы увеличивают до 100—150 мм, а сопротивление — до

800—1000 Ом.

Образованная указанным способом решетка проволоки при­ клеивается к исследуемой детали 5 и воспринимает деформацию последней. Вместе с деформацией детали деформируется и про­ волока, тем самым изменяется сопротивление преобразователя вследствие явления тензоэффекта. Входной величиной преобразо­ вателя является деформация, выходной — изменение сопротив­ ления [59].

143