книги из ГПНТБ / Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств учебник

Пределы измерения, классы точности, допустимая температур­ ная погрешность и некоторые другие параметры для отдельных видов приборов устанавливаются стандартами.

Действие пружинных приборов основано на измерении вели­ чины деформации различного вида упругих элементов. Деформа­ ция упругого чувствительного элемента преобразуется переда­ точными механизмами того или иного вида в угловое или линей­ ное перемещение указателя по шкале прибора.

[Рис. 89. Типы пружинных приборов

Преимущества пружинных приборов — простота устройства, надежность, универсальность, портативность и большой диа­ пазон измеряемых величин. Пружинные приборы изготовляются различных классов точности.

По виду упругого чувствительного элемента пружинные при­ боры делятся на следующие группы:

1) приборы с трубчатой пружиной или собственно пружинные

(рис. 89, а и б);

2) мембранные приборы, у которых упругим элементом слу­ жит мембрана (рис. 89, в), анероидная или мембранная коробка (рис. 89, г и д), блок анероидных или мембранных коробок

(рис. 89, е и ж);

3)пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис. 89, з);

4)приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном) (рис. 89, к)\

5)пружинно-сильфонные (рис. 89, и).

НО

§ 40« Приборы с трубчатыми пружинами

Наиболее широко применяются приборы (манометры, вакуум­ метры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой труб­ чатой пружиной.

Основная деталь прибора с одновитковой трубчатой пружи­ ной — согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения (рис. 90). Одним концом трубка заде­ лана в держатель, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью

следствием изменения формы сечения. Под действием давления внутри трубки элллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь, приближается к круговому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая уменьшается).

Рассмотрим трубку, согнутую по дуге окружности так, что большая ось сечения параллельна оси кольца. Сделаем два допу­ щения:

1) при избыточном давлении внутри трубки малая ось сече­ ния увеличивается;

2) при деформации длина трубки остается постоянной, т. е. дуги АВ и А'В ' сохраняют первоначальную длину.

Первое допущение— это констатация действительного явле­ ния, подтвержденного опытом, поэтому оно не вызывает сомне­ ний. Второе допущение можно применять без ощутимой погреш­ ности, так как на практике раскручивание трубки очень мало, а следовательно, изменение длины трубки представляет собой пренебрежимо малую величину.

141

Обозначим ОА — R; ОА' = г\ /_АОВ = у. Эти же величины после деформации обозначим R', г', у'. Тогда согласно второму

малые оси эллипса до и после деформации, то согласно первому допущению R' — г' R—г. Обозначив малые оси соответственно

Из уравнения (108) видно, что изменение угла изгиба трубки прямо пропорционально увеличению малой оси и первоначальному углу изгиба и обратно пропорционально величине малой оси эллипса. Этот вывод подтверждается практикой, так как в дей­

вуравнении (107) также станет отрицательным. Подставляя его

ввыражение у' — у — р, получим

Таким образом, при создании внутри трубки разрежений новый угол больше первоначального, следовательно," трубка скручивается.

Однако эти рассуждения устанавливают лишь качественную сторону явления и не могут служить основанием для расчета, так как величина х, будучи функцией формы, размеров трубки и свойств материала, остается неизвестной.

Величина перемещения свободного конца трубки до определеного предела пропорциональна давлению Д = kp. При дальней­ шем повышении давления линейная зависимость нарушается — деформация начинает расти быстрее увеличения давления. Пре­ дельное давление, при котором еще сохраняется линейная зави­ симость между перемещением конца трубки и давлением, назы­ вается пределом пропорциональности трубки.

142

Предел пропорциональности является важной характеристи­ кой трубки. При переходе давления за предел пропорциональ­ ности трубка приобретает остаточную деформацию и становится непригодной для измерения. Чтобы не допустить возникновения остаточной деформации, наибольшее рабочее давление pmsx (раз­ режение или разность давлений) назначается ниже предела про­ порциональности ра.

Отношение

k

Рmax

называется коэффициентом запаса. Во всех случаях коэффициент k должен быть больше единицы. Для обеспечения наибольшей долговечности трубки и уменьшения влия­

и величина перемещения свободного конца, зависит от ряда факторов, из которых наи­ более важными являются отношение осей сечения трубки, толщина ее стенок, модуль упругости материала и радиус дуги изгиба трубки.

Увеличение отношения осей при прочих равных условиях повышает чувствительность и понижает предел пропорциональ­ ности. Обычно соотношение осей для трубок, рассчитанных на

малые и средние давления, бывает в пределах - ^ - =1,5 -н4,5.

Повышение толщины стенок резко повышает предел пропорцио­ нальности.

В манометрах высокого давления (свыше 98 МН/м2) при­ меняют толстостенные из легированной стали трубчатые пру­ жины круглого поперечного сечения с каналом, ось которого смещена относительно оси пружины в сторону центра кривизны последней (рис. 91). Благодаря эксцентричному каналу избыточ­ ное давление на заглушку свободного конца трубки создает момент, вызывающий уменьшение кривизны трубки и перемеще­ ние ее свободного конца.

Манометры с трубчатой пружиной, показанной на рис. 91, изготовляются на давление до 1600 МН/м2.

Перемещение свободного конца трубки под действием да­ вления весьма невелико. Поэтому для увеличения точности и

1 43

наглядности показаний прибора вводят передаточный механизм, увеличивающий масштаб перемещений конца трубки.

Обычно применяются зубчато-секторные передаточные меха­

низмы.

Устройство вакуумметра и мановакуумметра с одновитковой трубчатой пружиной ничем не отличается от устройства мано­

метра.

Рабочие приборы с круговой шкалой изготовляются показы­ вающими без дополнительных устройств, а также с контактным устройством, электрическими или пневматическими преобразо­ вателями для телепередачи.

Показывающие приборы применяются чаще всего в качестве местных приборов. Электроконтактные манометры применяются для сигнализации о достижении минимального или максималь­ ного рабочего давления или для двухпозиционного регулирова­ ния. Электроконтактный манометр по принципу действия ана^- логичен указывающему манометру с одновитковой трубчатой пружиной. Для сигнализации служит контактный механизм, электрическая схема которого аналогична применяемой в мано­ метрических термометрах (см. рис. 16). Контактный манометр может работать только при плавном (без пульсаций) изменении

давления.

Электрические и пневматические преобразователи аналогичны показанным на рис. 68 и 72. На рис. 92, а показан пружинный манометр с электрическим преобразователем. Давление преобра­ зуется на манометрической пружине в пропорциональное ему усилие F, которое через рычажный передаточный механизм, состоящий из рычагов 1, 2 и 8, автоматически уравновешивается усилием обратной связи, создаваемым в магнитоэлектрическом механизме 9 при взаимодействии протекающего в подвижной катушке тока с полем постоянного магнита. При изменении измеряемого давления перемещается рычажный механизм и свя­ занный с рычагом 8 флажок 5 индикатора рассогласования 6. Возникающий на индикаторе сигнал рассогласования усили­ вается электронным усилителем 7 и поступает в силовое устрой­ ство обратной связи и одновременно в линию дистанционной передачи, являясь мерой измеряемого параметра.

На заданный диапазон измерения прибор настраивается изме­ нением передаточного отношения рычажного механизма. Это достигается перемещением подвижной опоры 3 вдоль рычагов 1 и 2. Передаточное отношение можно изменять в пределах 1 : 10. Нулевое значение выходного сигнала устанавливается пружинным корректором нуля 4.

В пружинном приборе с пневматической силовой компенса­ цией (рис. 92, б) давление также преобразуется в усилие, которое через рычажный передаточный механизм, состоящий из рыча­ гов 1 и 2, автоматически уравновешивается усилием, развиваемым давлением воздуха в сильфоне обратной связи. При изменении

144

измеряемого давления происходит перемещение рычажной системы и связанной с рычагом 1 заслонки 7.

Манометры с многовитковой (геликоидальной) трубчатой пру­ жиной (рис. 93) отличаются от одновитковых формой рабочего

Рис. 92. Принципиальная схема манометра с передачей показаний на расстоя­ ние:

а — с электрическим преобразователем; /, 2 и 5 — рычаги; 3 — подвижная опора; 4 — пружина корректора нуля; 5 — флажок; 6 — индикатор рассогласования; 7 — электрон­

органа, имеющего вид цилиндрической спирали с шестью—де- вятью витками, свернутой из плоской трубки. Геликоидальную трубку можно рассматривать как ряд одновитковых трубок, соединенных последовательно. Вследствие этого перемещение

Рис. 93. Схема многовит­ ковой трубчатой пружины

свободного конца трубки значительно больше, чем перемещение у одновиткового манометра. Манометры с геликоидальной труб­ чатой пружиной применяются главным образом как самопишу­ щие и для передачи показаний на расстояние. В них обычно используются электрические системы теплопередачи. Максималь­ ное давление до 15,6 МН/м2 (160 кгс/см2).

§ 41, Мембранные и сильфонные приборы

Приборы с чувствительным элементом в виде гофрированных мембран, мембранных коробок и мембранных блоков применяются для измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давле­ ния (дифманометры). Величина прогиба мембраны является слож­ ной функцией действующего на нее давления, ее геометричес­ ких параметров (диаметра, толщины, числа гофров, их формы), а также модуля упругости материала мембраны.

Зависимость прогиба от давления в общем случае нелинейна. Число, форма и размеры гофра различны в зависимости от назна­ чения, пределов измерения и других факторов. Гофрировка мембраны увеличивает ее жесткость, т. е. уменьшает прогиб при одинаковом давлении.

Ввиду сложности расчета в большинстве случаев характери­ стика мембраны подбирается опытным путем.

Для увеличения прогиба в приборах для малых давлений (разрежений) мембраны попарно соединяют (сваркой или пай­

няющиеся в барометрах и барографах, герметизированы и запол­ нены воздухом или каким-либо газом при очень малом давлении, обычно около 1,33 Н/м2 (0,01 мм рт. ст.).

Деформация анероидной коробки происходит под действием разности давления окружающей ее среды и давления в полости коробки. Так как давление в полости коробки очень мало, то можно считать, что ее деформация определяется атмосферным давлением. Деформация анероидной или манометрической ко­ робки равна сумме деформаций составляющих ее мембран.

Пружинно-мембранные приборы (рис. 89, з) отличаются от описанных тем, что мембрана, воспринимающая давление, выпол­ нена из гибкого материала (вялая мембрана), а давление уравно­ вешивается цилиндрической винтовой пружиной. Гибкие мем­ браны обычно изготовляются из резины с тканевой основой, из ткани с газонепроницаемой пропиткой или из особых пластмасс. Вялые мембраны применяются в тягомерах, напоромерах, тягонапоромерах и дифманометрах.

К недостаткам мембранных приборов относятся небольшой ход подвижного центра чувствительного элемента, значительное отклонение жесткости мембраны от расчетной и трудность регу­ лировки жесткости мембран. Эти недостатки мембранных чув­ ствительных элементов устраняются в приборах, построенных по схеме силовой электрической или пневматической компен­ сации (см. рис. 68 и 72).

Чувствительным элементом сильфонных приборов является цилиндрический тонкостенный сосуд с кольцевыми складками

146

(гофрами), называемый сильфоном (рис. 94). Сильфоны изготовля­ ются из латуни, из бериллиевой бронзы и нержавеющей стали (обычно марки Х18Н9Т).

При действии осевой нагрузки (внешнего иди внутреннего давления) длина сильфона изменяется, увеличиваясь или умень­ шаясь в зависимости от направления приложенной силы.

В пределах рабочего диапазона давлений деформация силь­ фона приблизительно пропорциональна действующей силе, т. е. характеристика сильфона близка к линейной. В пределах прямо­ линейной характеристики отношение действующей силы к вызванной ею деформации остается постоянным и на­ зывается жесткостью сильфона. Пере­ ход от характеристики по нагрузке к характеристике по давлению осу­ ществляется путем введения понятия

«эффективная площадь сильфона» (s3(J)). Эффективная площадь сильфона определяется как отношение силы F к

давлению р\

_ F

5эф — „ •

Радиус эффективной площади, как показывает опыт, весьма близок к сред­ нему радиусу сильфона, т. е.

где R Hи R B— наружный и внутренний радиусы сильфонов. Существенным недостатком сильфонов является значитель­

ный гистерезис и некоторая нелинейность характеристики. Для увеличения жесткости, уменьшения влияния гистерезиса и не­ линейности часто внутрь сильфона помещают винтовую цилиндри­ ческую пружину (см. рис. 89, и). В этом случае характеристика сильфона будет иной, так как к жесткости сильфона добавляется жесткость пружины. Жесткость пружины обычно в несколько раз превышает жесткость сильфона, благодаря чему резко умень­ шается влияние гистерезиса сильфона и некоторой нелинейности его характеристики.

Расчетные формулы основных размеров сильфонов весьма сложны и не всегда подтверждаются опытом. Обычно диаметр сильфонов лежит в пределах 20—80 мм; рабочий ход сильфонов составляет 5— 10 мм. Относительно большая величина рабочего хода сильфонов позволяет применять их в самопишущих при­ борах.

На рис. 95 показаны принципиальные схемы сильфонных приборов с электрическим и пневматическим преобразователями.

ренциальных манометров. В дифманометрах, предназначенных для измерения перепада при высоких статических давлениях, необходима в случае возникновения перегрузки надежная защита сильфонов от разрушения. Перегрузка может возникнуть, напри­ мер, в результате нарушения герметичности корпуса прибора или разрыва одного из трубопроводов, по которым подводится давление.

Для защиты от перегрузки применяются сдвоенные сильфоны (рис. 96), полости которых заполнены кремнийорганической жидко­ стью и сообщаются между собой каналом, запираемым клапаном при возрастании деформации сильфонов выше предельной рабо­ чей деформации. При односторонних перегрузках рабочим давле­ нием клапан закрывается и дальнейшая деформация сильфонов становится невозможной, так как жидкость, заполняющая по­ лости сильфонов, практически несжимаема. Вывод штока 2 при его перемещении осуществляется посредством рычага 4, пропущенного через уплотнительную мембрану 3.

Такая конструкция измерительного блока обеспечивает также защиту от выброса измеряемой среды в атмосферу при разрушении мембраны 3, охватывающей рычаг 4 вывода штока 2 из полости рабочего давления, что особенно важно в случае измерения рас­ хода агрессивных, токсичных и взрывоопасных сред.

Преобразование перепада давления в унифицированный пнев­ матический сигнал аналогично рассмотренному выше.

Глава X I I I

Основные сведения о выборе, установке и защите от агрессивных сред приборов давления

Большое разнообразие измерений давления и разрежения и специфических условий, в которых они производятся на хими­ ческих заводах, не позволяет давать исчерпывающих указаний по выбору, установке и эксплуатации приборов в производствен­ ных условиях. Однако из многообразия случаев измерения можно выделить некоторые общие требования, выполнение которых может обеспечить правильность измерений в любых условиях.

До начала измерения давления необходимо узнать примерную его величину, пределы колебаний, если оно переменное или пульсирующее, физико-механические свойства среды, требуемую точность измерения и др. Зная эти условия, можно выбрать надлежащий тип прибора.

149