книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики

Г л а в а 8

КОЛОКОЛЬНЫЕ ДИФМАНОМЕТРЫ

8.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Колокольный дифманометр состоит из одного колокола (реже двух, подвешенных на коромысле), частично погруженного в жид­ кость и перемещающегося под влиянием измеряемой разности дав­ лений. Давление р\ подается обычно внутрь колокола, а давление р2 — снаружи, но встречается и обратная подача давлений. При двух колоколах давление р\ подается под один колокол, а давле­ ние Р2 — под другой.

Взависимости от характера противодействующей силы коло­ кольные дифманометры могут быть с гидравлическим, пружинным или с грузовым уравновешиванием.

Дифманометр с гидравлическим уравновешиванием показан на рис. 81, а. В нем уравновешивание измеряемого перепада давле­ ния достигается за счет уменьшения гидростатического давления жидкости на колокол при его подъеме. Для этого дифманометр должен иметь толстое стенки, а иногда и плунжер посередине, чтобы обеспечить большую площадь поперечного сечения час­ тей, погружаемых в жидкость. На рис. 81, а и б изображены диф­ манометры с цилиндрическими стенками с плунжером и без него. Для уменьшения количества заливаемой жидкости (ртути) иног­ да (рис. 81, в) в дне сосуда внутри колокола размещают вставку. На рис. 81, г показан двухжидкостной колокол, у которого тонкие стенки погружены в легкую жидкость (воду или масло), а цилинд­ рический плунжер — в тяжелую (ртуть). Для получения хода ко­ локола, пропорционального расходу, профилируют необходимым образом стенки колокола (рис. 81, д) или его плунжер (рис. 81, е).

Вдифманометрах с пружинным уравновешиванием противо­ действующая сила создается за счет деформации пружины, которая приложена или к центру колокола (как показано на рис. 81, ж), или же к рычагу, на котором подвешен колокол.

Вдифманометрах с грузовым уравновешиванием противодей­ ствующий момент создается грузом, воздействующим на рычаг,

ккоторому подвешен один (рис. 81, з) или два колокола (рис. 81, и). У дифманометров с пружинным и грузовым уравновешивани­ ем стенки колоколов тонкие и изменением гидростатического давления при перемещении колоколов здесь можно пренебречь.

Колокольные дифманометры отличаются высокой чувствитель­ ностью, которая тем выше, чем больше площадь дна колокола. Ход колокола может быть во много раз больше разности уровней жидкости снаружи и внутри колокола. Для сравнения у поплав­ ковых дифманометров ход поплавка Н всегда меньше разности уровней h манометрической жидкости в минусовом и плюсовом

коленах. В связи с этим колокольные дифманометры применяют

203

Рис. 81. Схемы колокольных дифманометров

главным образом для измерения небольших перепадов давления (обычно в пределах 100-1000 Па), в частности для измерения расхо­ да газа при незначительном избыточном давлении (0,06-0,25 МПа). Они весьма удобны также для измерения и регулирования давле­ ния в мартеновских, стеклоплавильных и других печах.

Рабочая жидкость в колокольном дифманометре не должна по­ глощать влагу из газа или иметь склонность к испарению. Целесо­ образно применение различных масел (особенно парафинистых).

8.2.КОЛОКОЛЬНЫЕ ДИФМАНОМЕТРЫ

СГИДРАВЛИЧЕСКИМ УРАВНОВЕШИВАНИЕМ

Выведем уравнение измерения для наиболее общего случая двух­ жидкостного дифманометра, у которого как стенки, так и плунжер имеют переменное сечение по высоте. На рис. 82 линии а—а, Ъ—b и с—с показывают положение уровней жидкости внутри колокола,

204

снаружи его и внутри малого сосуда при перепаде давления (jPl—Р2)» а линии ах—а\у Ь\— &1 и С\—ci — те же уровни после увеличения перепада на d (pi~ Р2)> Введем обозначе­ ния: FHи F — площадь коло­ кола (наружная и внутренняя соответственно); Fx и fx — внутренняя площадь колоко­ ла и его стенок в сечении а—а соответственно; /о — площадь поперечного сечения стенок колокола в верхней цилиндри­ ческой части; / 1х — площадь плунжера в сечении с—с; Ф — площадь большого сосуда; s и /2 — наружная и внутрен­ няя площади малого сосуда; рл, рл, р — плотность жидко­ сти легкой в большом сосуде,

тяжелой в малом сосуде и среды, находящейся над обеими жид­ костями; h — разность уровней легкой жидкости снаружи и внут­ ри колокола.

Решая совместно уравнение равновесия колокола

d(pi - p2)FH= (dH + dy)fxg(рл - p) + (dH + dz)flxg(pr - p) с уравнениями равенства объемов

dy(Fx - s) = dHfx + d x (0 - FH);

dz(f2 - f i x) = dHfXx

и учитывая, что

d(Pi - Р2) = dhgifin - р); dh = dx + dy,

получим основные уравнения для колокольных дифманометров:

d (p i-p 2) = g(pn -p )x

205

Исходя из этих формул найдем уравнения измерения для раз­ личных колокольных дифманометров.

Для дифманометра, показанного на рис. 81, а, имеем: f\x = 0; s = 0; Fx = F; fx = Д>. Подставляя эти соотношения в уравнение (83) и интегрируя его, а также имея в виду, что F H / Q — постоян­ ные величины, получим

Р\~ Р2 ~Hfog (Рл “ P)/F-

Отсюда следует, что Я = hF/f$.

Увеличивая отношение F/fo» можно достичь очень высокой чув­ ствительности дифманометра. Из уравнения (85) следует, что х = 0. Следовательно, вся жидкость, опустившаяся внутри колоко­ ла, идет на возмещение объема, освобождаемого стенками колокола при его подъеме.

Полученные уравнения и выводы остаются справедливыми и для дифманометра, изображенного на рис. 81, б, если под /о пони­ мать площадь поперечного сечения не только стенок колокола, но и его плунжера. Последний обычно изготовляют пустотелым и применяют в случаях, когда плотность жидкости меньше плотнос­ ти материала стенок.

Для дифманометра, показанного на рис. 81, б, имеем: f\x - 0; Fx = F; fx = /о- Подставляя эти значения в уравнение (83) и интег­ рируя его с учетом того, что F H / Q — постоянные величины, полу­

При увеличении размера вставки s уменьшается количество заливаемой жидкости (ртути), но одновременно уменьшается от­ ношение H/hy т. е. чувствительность прибора.

Уравнение (85) дает: х = -sh/(<P - з) и у - ЛФ/(Ф - з). Следова­ тельно, здесь одновременно с опусканием жидкости внутри коло­ кола опускается жидкость и снаружи, но на меньшее значение, равное h.

Более подробно о колокольных дифманометрах с ходом коло­ кола, пропорциональным расходу, см. в работе [012], где даны формулы для одножидкостного и двухжидкостного дифманометров

206

Основное значение имеет погрешность AH /if, зависящая от сил трения в направляющих и в передаточном механизме, а также от неточности отсчета.

Более подробный анализ погрешностей колокольных дифманометров см. в работе [012].

8.3. КОЛОКОЛЬНЫЕ ДИФМАНОМЕТРЫ С ПРУЖИНАМИ

Дифференциальное уравнение перемещения <Школокола с пру­ жинным уравновешиванием (рис. 83) при изменении перепада давления на величину d(pi - р2) имеет вид

d(Pl ~P2)F = cdH + f(dH - dx)g(рг - p2),

где с — коэффициент жесткости пружины.

Решая его совместно с уравнением равенства объемов

dy (F - s) = dx(<P- F - f) + fdH

и учитывая, что d(pi - р2) = dh (pi - p2) g, dy = dh - dx, получаем уравнение, которое после интегрирования дает зависимость

Р1-Р2 = Я [ с ( Ф - в - Я / ( Ф - в ) +

+ tf/(Pl -р2)][^ -8/>/(Ф -« )Г 1.

Если пренебречь гидростатическим давлением жидкости на стен­ ки колокола, т. е. положить / = 0, то получим

207

Pl “ P2 = C H / F .

Вдвухколокольном приборе с пружинным уравновешивани­ ем, схема которого приведена на рис. 84, оба колокола и длины их рычагов следует делать одинаковыми, чтобы угол поворота систе­ мы ф зависел только от перепада давления р\ - Ръ* но не от абсо­

лютных значений р\ и р2. Тогда f\ = f2 = Л F\ = F2 = F; Ф\ - = Ф2 = Ф; sx = s2 = s; гг = r2.

При этом уравнение измерения принимает вид [012]

P l~P 2 = £ (Pi-P 2)sin<p[cro /g(Pi-Р 2)г + Щ]/Ьг>

где

% = [*ЧФ - s) - Л 0 / (Ф - s - / ) ; k2 = № - s )r / (< P - s - f);

го — расстояние от точки вращения системы до точки закрепле­ ния пружины.

Аналогичное уравнение будет и для одноколокольного дифманометра, колокол которого подвешен на рычаге радиусом г, а противо­ действующая пружина действует на рычаге радиусом TQ. Различие будет лишь в том, что вместо слагаемого 2k2 будет просто k2.

Если пренебречь гидростатическим давлением жидкости на стен­ ки колоколов и положить / = 0, то тогда k\ = F и k2 = 0. В этом случае предыдущее уравнение принимает вид

Pl~P2 = сг0 sin<p/Fr.

Погрешность измерения pi - р2 дифманометром, показанным на рис. 83, выражается уравнением

(Тдр = 50[(ДН / Я )2 + (Ас / с)2 +(AF / F)2]0’5,

а для дифманометра, изображенного на рис. 84, — уравнением

ад, =50[(A<p/tg<p)2 +(А с/с)2 +(2Дг0 /г0)2 +(AF/F )2 +(Д г/г)2]0’5,

где Аф, АН, Ас, Агд, AF, Аг — максимальные абсолютные погрешно­ сти ф, Н, с, г0, F, г.

Основными будут погрешности измерения АН и Аф. Они умень­ шаются с увеличением F. Температурный коэффициент колоколь­ ных дифманометров с пружинным уравновешиванием мало отли­ чается от нуля.

8.4. КОНСТРУКЦИЯ КОЛОКОЛЬНЫХ ДИФМАНОМЕТРОВ

Основной элемент колокольных дифманометров — колокол. Он характеризуется формой, толщиной стенок, степенью устойчи­ вости, устройством для направления его хода и устройством для

208

-/

.2

-J

Л

-5 -6

передачи движения к измерительной части прибора. Наружная форма всех колоколов цилиндрическая. При гидравлическом способе извлечения квадратного корня из перепада давления стен­ ки колокола и значительно реже плунжер профилируют по опре­ деленному закону* Во всех остальных случаях они имеют посто­ янную толщину по высоте. При пружинном и грузовом уравно­ вешивании стенки изготовляют из листового материала и имеют очень малую толщину. Устойчивость колокола можно повысить, прикрепляя внизу снаружи стенок колокола кольцевой груз или же утолщая нижнюю нерабочую часть колокола. Анализ усло­ вий устойчивости колокола дан в работе [012]. Если колокол не подвешен на рычаге, то его снабжают роликовыми направляю­ щими, обеспечивающими вертикальность его хода. В отечествен­ ных конструкциях колокольных дифманометров передача дви­ жения колокола осуществляется с помощью электрических пре­ образователей, сигнал от которых поступает на вторичный изме­ рительный прибор. Сами же дифманометры не имеют шкал.

209

14 П. П. Кремлевский

Г л а в а 9

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ ДИФМАНОМЕТРЫ

9.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Деформационными называются дифманометры, у которых из­ меряемый перепад давления воспринимается чувствительным эле­ ментом (одна или несколько упругих или вялых мембран или сильфонов), уравновешивается упругими силами либо самого эле­ мента при его деформации, либо же дополнительными (чаще всего винтовыми) пружинами и измеряется по деформации этого эле­ мента.

Деформационные дифманометры появились позже жидкостных. Их распространение вначале сдерживалось несовершенством упру­ гих свойств мембран и сильфонов и недостаточной надежностью устройств, предохраняющих их от перегрузки. Первый из этих не­ достатков сказывается на точности показаний прибора и прояв­ ляется в упругом гистерезисе, обусловливающем разницу в по­ казаниях прибора при прямом и обратном ходах, и в упругом последействии — невозвращении в исходное положение после снятия нагрузки. Второй недостаток приводит к выходу из строя чувствительного элемента. Но после разработки так называемых дисперсионно-твердеющих сплавов с более совершенными упру­ гими свойствами и изготовления из них мембран и сильфонов точность деформационных дифманометров существенно улучши­ лась. Наряду с этим были разработаны устройства, надежно пре­ дохраняющие мембраны и сильфоны от повреждения при пере­ грузке. Это обусловило широкое распространение деформацион­ ных дифманометров взамен жидкостных, которые в настоящее время в значительной степени оказались вытесненными в облас­ ти средних и высоких перепадов давления.

Достоинства деформационных дифманометров: а) малая масса и, следовательно, малая инерция, обеспечивающая высокую частоту собственных колебаний; б) малое время запаздывания благодаря небольшому измерительному объему; в) отсутствие ртути; г) при­ годность для работы на транспортных (в частности, судовых) уста­ новках; д) небольшие габаритные размеры, не зависящие от пере­ пада давления.

9.2. ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДИФМАНОМЕТРОВ

Основные чувствительные элементы деформационных дифма­ нометров — металлические мембраны и сильфоны. Значительно реже при небольших давлениях применяют вялые мембраны из резины или прорезиненной ткани.

211

14*