книги из ГПНТБ / Петунин А.Н. Измерение параметров газового потока. (Приборы для измерения давления, температуры и скорости)

1.5.МЕХАНИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ

1.5.1.Образцовые пружинные манометры и вакуумметры

Механические манометры имеют в качестве чувствительного элемента упругую деталь (плоскую или гофрированную мем­ брану, сильфон, трубчатую пружину), деформация которой или развиваемая ею сила служат мерой измеряемого давления*.

Плоские мембраны обладают высокой частотой собственных колебаний и используются в бесполостных датчиках переменных давлений, в которых измеряемое давление непосредственно воз­ действует на мембрану. Для этого они устанавливаются запод­ лицо с поверхностью стенки газового канала. Плоские мембра­ ны нашли широкое применение в различных электрических дат­ чиках давления.

Гофрированные мембраны обладают меньшей собственной жесткостью по сравнению с плоскими мембранами. Из гофри­ рованных мембран изготовляют мембранные коробки, широко используемые в реостатных контактных датчиках давления. Для получения еще больших перемещений коробки объединяют

вблоки или применяют сильфоны, широко используемые в раз­ личных специальных приборах для измерения давлений в газо­ вых потоках. Сильфон представляет собой тонкостенную трубку

сгофрированной боковой поверхностью. Перемещение жесткого центра сильфона, так же как жесткого центра мембраны, ис­ пользуется для непосредственного воздействия на механическую передаточную систему и отсчетное устройство или преобразуется

вэлектрический сигнал. Сильфоны изготовляются из меднони­ келевых сплавов и стали. Сильфоны из стали выпускаются на

Мембранам и сильфонам посвящены исчерпывающие рабо­ ты [2, 35]. Их использование в приборах для измерения давле­

до ~ 1 0 8 Па более широкое применение нашли чувствительные элементы в виде профилированных трубок Бурдона эллиптиче­ ского или овального сечения. Принцип действия таких маномет­ ров заключается в том, что под влиянием давления, поданного в трубку, изогнутую по окружности и закрепленную одним концом, она пытается выпрямиться и ее свободный заглушенный конец начинает перемещаться. Это перемещение, преобразованное во вращение стрелки, служит мерой давлений. Трубчатые маномет­ ры изготовляются разных классов (0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0), разме-

* Наряду с распространенным наименованием «механические манометры» приборы этого типа согласно ГОСТ 15115—69 называются «деформационные манометры».

53

ров (диаметр 0,04; 0,06; 0,1; 0,16 и 0,25 м) и назначений [ГОСТ 2405—63]. Чем меньше размеры манометра, тем, как правило,

он менее точен.

Для измерения давлений в воздушных потоках при экспери­ ментальных и научных исследованиях, а также при ответствен­ ных измерениях в технике используются образцовые манометры марки ОМ или вакуумметры марки ОВ. Образцовые манометры (рис. 1.29) имеют условную градусную шкалу на дуге 300°. Оте-

Рис. 1.29. Образцовый манометр с трубкой Бур­ дона

чественная промышленность выпускает образцовые вакуумметры

иобразцовые манометры, параметры которых приведены в табл.

1.10.В таблице указаны размерности согласно ГОСТ 6521—60 на образцовые манометры и вакуумметры.

Допустимая основная погрешность верхнего предела измере­ ния для манометров класса 0,16 составляет +0,16%, а для ма­ нометров класса 0,25 и 0,4 соответственно ±0,25% и +0,4% .

Погрешность пружинных манометров определяется трением в передаточном механизме и гистерезисом упругого элемента. Например, сильфоны из латуни имеют гистерезис 3% от полно­ го хода, в сильфонах из бериллиевой или фосфористой бронзы гистерезис уменьшен до долей процента. Уменьшение трения достигается заменой передаточного механизма различными эле­ ктромеханическими или электронными контактными или бес­ контактными устройствами, применение которых ограничено схемами экспериментальных приборов, используемых в лабо­ раторной практике.

54

1.5.2. Контрольный манометр абсолютных давлений

от 0 до 8 мм рт. ст. *

В основу действия прибора положен компенсационный метод измерения силы, развиваемой мембранной коробкой при дейст­ вии на нее измеряемого давления. Давление подводится через штуцер 1 (рис. 1.30) внутрь герметичного корпуса и восприни­ мается наружной поверхностью мембранной коробки 2. Внутри коробки создается опорное давление. Сила, развиваемая короб­ кой, уравновешивается измерительной пружиной 3, один конец которой связан с коробкой, а другой заканчивается винтом 7, перемещающимся в головке прибора 6 при ее вращении в про­ цессе компенсации. Компенсация осуществляется силой измери­ тельной пружины, деформация которой служит мерой давления. Уравновешивание производится вручную и контролируется стре­ лочным индикатором 5, связанным рычажной передачей с мем­ бранной коробкой, нулевое положение которой он указывает. На головке нанесен лимб со шкалой для отсчета измеряемого давления. Рычажная передача выполнена на упругих шарнирах.

Для увеличения чувствительности индикатора прибор снаб­ жен компенсатором жесткости (детали 8, 9, 10, 11, 12), создаю­ щим при отклонении мембраны от среднего положения силу, направленную навстречу силам упругости. Герметизация узла измерительной пружины выполнена при помощи сильфона, а гер­ метизация всех остальных мест разъема •— резиновыми проклад­ ками. Для установки нулевого показания прибора лимб со шка-

Прибор разработан Ю. Ю. Колсчинским.

оо

лой может поворачиваться и фиксироваться в любом положении относительно головки. Ниже приведены выходные и конструк-

Рис. 1.30. Принципальная схема контрольного манометра:

/ —штуцер измеряемого давления; 2—мембранная коробка; 3—'изме­ рительная пружина; ■/—гайка; 5—стрелочный индикатор; б—го­ ловка; 7—винт; 8, 9. 10, 11, 12—компенсатор жесткости; 13—штуцер опорного давления

тпвные параметры прибора. Манометр имеет линейную градуи­ ровочную характеристику.

* МБП — манометр ртутный Бюро Поверок. Диапазон 0 . . . 1070 мбар. Погрешность +0,05 мбар. Предназначен для измерения атмосферного давления и определения давления в барометрических установках.

56

Прибор прост, удобен в обращении и не имеет температурных погрешностей при изменении окружающей температуры до

+ 60° С.

Несмотря на то, что прибор рассчитан на измерение абсо­ лютных давлений < 8 мм рт. ст., он не выходит из строя при нагружении мембраны атмосферным давлением, когда оно попа­ дает в корпус прибора, например, при хранении или при повреж­ дении соединительной трассы. Применяется для градуировки манометров с предельной погрешностью 1 . . . 2%, для точных измерений давления в потоках и для исследования вновь разра­ батываемых приборов.

1.6. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЙ

Серийные манометры низких абсолютных давлений, осно­ ванные на теплоэлектрическом принципе измерения температу­ ры или сопротивления нагретого током проводника, могут быть использованы при исследовании газовых потоков для измерения давлений в диапазоне ~ 10 . .. 102 Па при использовании термо­ парных ламп ЛТ-2 и ЛТ-4М и в диапазоне 10. . . 3 - 103 Па при использовании ламп ЛТ-6 [18].

Анализ погрешностей манометров с термопарными лампами выполнен в [34].

Погрешности измерения, присущие этим манометрам и дости­ гающие + 15...20%, вследствие пользования типовыми градуиро­ вочными характеристиками (рис. 1.31), ограничивают их при­ менение для измерения в газовых потоках. Возникает необходи­ мость искать пути снижения погрешностей измерения теплоэле­ ктрических манометров. Одним из таких путей является инди­ видуальная градуировка манометрических ламп ЛТ-2 и ЛТ-4М, позволяющая снизить погрешность измерения до 5 . . . 7%.

в термостатах и включены в мостовые схемы, питаемые стаби­ лизированным источником питания. На рис. 1.32 изображен тер­

57

мостат с датчиками, являющийся одним из трех блоков 12-ка­ нального манометра для измерения и регистрации низких абсо­ лютных давлений в двух диапазонах: 0,1 ... 7 мм рт. ст. и 3 . . .

... 15 мм рт. ст. с предельной погрешностью ± 4 ... 5%. Осталь­ ными блоками манометра являются электронный потенциометр

иустройство питания и управления.

Вкачестве датчиков в манометре используются капиллярные манометрические лампы ЭТМ-1А, представляющие собой стек­

лянную цилиндрическую колбу длиной 100 мм, внутри которой

Рис. 1.31. Типовые градуировочные характеристики теплоэлектрических мано­ метров:

а — с лампой ЛТ-2; б — с лампой ЛТ-6

размещена спиральная вольфрамовая нить диаметром 11 мкм (рис. 1.33). Эти лампы воспринимают измеряемое давление и служат чувствительными элементами манометра. Изменение дав­ ления внутри лампы изменяет условия охлаждения нити, нагре­ той до 200° С, и изменяет величину сопротивления нити. Нару­ шение разбаланса моста, одним из плеч которого служит сопро­ тивление нити, приводит к появлению в выходной диагонали электродвижущей силы, пропорциональной давлению. При ра­ боте в диапазоне 0,1 ... 7 мм рт. ст. мост питается стабилизиро­ ванным напряжением 12 В, а при работе в диапазоне 3 ... 15 мм рт. ст. напряжение питания увеличивают до 24 В. Манометриче­ ские лампы 1 (см. рис. 1.32) установлены на общей крышке 7 термостата, залитого маслом. Масло принудительно перемеши­ вается вращающейся крыльчаткой 14 и охлаждается водой, циркулирующей по змеевику 8. Температура масла контролиру­ ется полупроводниковым термометром 10. Движение воды по змеевику управляется электромагнитным клапаном 5. Показа-

58

J

Рис. 1.32. Термостат с датчиками давления:

/ —цоколь лампы; 2—пылеуловитель; 3—двигатель крыльчатки; 4—гиб­ кая медная трубка; 5—электромагнитный клапан; 6—входные ниппели:

59

г

ния всех двенадцати ламп подаются на один стандартный двенадцатиточечный потенциометр ЭПП-09 класса 0,5 и записываются нм последовательно в течение 9 ... 12 с.

На рис. 1.34 приведены градуировочные характеристики од­ ного канала манометра.

р,мм pm. cm.

■О wo 2 0 0 т т ооо

Деления 0/7/7-00

Рис. 1.34. Градуировочные характери­

1.7. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ МАНОМЕТРЫ

Ограниченные возможности механических манометров, даже таких совершенных, как образцовые, определяются главным об­ разом их недостаточной дистанционностью действия. Конструк­ тивное объединение в одном узле трубки Бурдона, играющей роль механического преобразователя давления в перемещение, и устройства для отсчета делает механические манометры прибо­ рами локального действия, так как использование длинных сое­ динительных трасс приводит к запаздываниям и может служить

60

источником погрешностей. Многоточечные измерения при помо­ щи механических манометров не удобны из-за необходимости фотографирования шкал манометров и последующей расшиф­ ровки фотографий. Механические манометры не пригодны для преобразования выдаваемой ими информации в форму, удобную для ввода в вычислительные машины. Такие особенности, как дистанционность, объективная система регистрации и возможно­ сти для преобразования информации в форму, удобную для машинной обработки, присущи электромеханическим маномет­ рам, нашедшим поэтому весьма широкое применение для изме­ рения давлений в газовых потоках. Построенные по компенсаци­ онной (нулевой) схеме такие манометры имеют малые погреш­ ности измерения, сравнимые с погрешностями образцовых пружинных манометров, а иногда и меньшие.

В основу схем электромеханических манометров могут быть положены принципы статической или динамической компенсации. В первом случае измеряемое давление или создаваемая им сила компенсируется известным статическим давлением или силой. Упругий чувствительный элемент манометра в момент регистра­ ции находится в разгруженном состоянии. Величина компенси­ рующего воздействия поддерживается такой, чтобы разгружен­ ный чувствительный элемент занимал исходное нулевое положе­ ние. Начальное перемещение упругого элемента приводит в действие устройство компенсации.

Во втором случае компенсация осуществляется при непре­ рывном изменении компенсирующего воздействия по известному закону во времени от некоторого начального минимального (в общем случае от нуля) до максимального значения. При этом должно быть известно, что измеренная величина лежит между этими значениями. В момент компенсации сигнальное устройст­ во отмечает время, прошедшее с начала действия компенсирую­ щей величины. По нему определяется сама компенсирующая величина, равная по модулю и обратная по знаку измеряемой величине.

Компенсирующее воздействие может создаваться:

1.Противодавлением, действующим на упругий чувствитель­ ный элемент со стороны, противоположной действию измеряемо­ го давления.

2.Компенсирующей силой, создаваемой силовозбудительным устройством механического или электрического типа. К первому типу относятся устройства, использующие вес груза или силу натяжения пружины. Ко второму типу относятся устройства, ос­

нованные на взаимодействии магнитных или электростатиче­ ских полей.

В электромеханических манометрах широкое применение по­ лучила силовая компенсация. Воздействие осуществляется на уравновешенный горизонтальный рычаг с опорой на ножах или на гибких безмоментных шарнирах при одностороннем илидвух-

61

стороннем приложении измеряемого и компенсирующего воз­

действия.

Компенсирующее воздействие может прикладываться вруч­ ную экспериментатором в момент измерения и отсчета показа­ ний. Но более совершенны автоматические компенсационные манометры, в которых компенсирующее воздействие следит за измеряемым и вырабатывается без участия экспериментатора. Отсчет берется по мере необходимости по стрелочному указа­ телю или счетчику.

1.7.1. Манометры со статической силовой компенсацией

Одним из удачных конструктивных решений компенсацион­ ного манометра для измерения давлений в газовых потоках яв­ ляется сочетание сильфонного или мембранного чувствительного элемента с автоматическим рычажным весовым элементом.

Чувствительный элемент воспринимает давление и преобра­ зует его в силу. В весовом элементе она компенсируется силой тяжести груза с тарированной массой, перемещающегося по ры­ чагу за счет вращения ходового винта. Обороты ходового винта служат мерой давления.

Автоматические рычажные весовые элементы (20)

Известны следующие типы автоматических весовых элемен­ тов: 1) однодиапазонные с контактной системой управления;

/-сельсин-датчик; 2—тормоз; 3—реверсивный электродвигатель; 4—ходовой винт; 5— груз; 6—призматическая опора; 7—измерительный рычаг; 8—контакты грубой регули­ ровки; 9—контакты точной регулировки; Ю и 11—концевые выключатели; 12—силовой рычаг; а, Ь, с, d—плечи рычажной системы

2) однодиапазонные с бесконтактной (индуктивной) системой управления; 3) многодиапазонные; 4) с дистанционно изменяе­ мой ценой деления.

Однодиапазонный весовой элемент (рис. 1.35) состоит из измерительного рычага 7, по большому плечу которого при по­ мощи ходового винта 4 перемещается груз 5. Ходовой винт при­

62