книги / Теплотехнические измерения и приборы

зарядов меняются в соответствии с изменением знака силы, дейст­ вующей вдоль электрической оси.

Значение Qx заряда, возникающего вследствие действия силы Fx вдоль электрической оси, или давления рху действующего на пло­ щадь грани Sx = ayaz, равно:

Коэффициент /е не зависит от размеров кристалла, однако его значения различны для разных пород кварца. Значение k для при­ меняемого кварца равно 2,1-10"12 Кл/Н.

Если при действующем давлении рх весь заряд с граней Sx снять, а затем давление рх изменить до p'Xt то на гранях вновь по­

При действии силы F„ вдоль механической оси заряды появ­ ляются также на гранях S v. При этом знаки зарядов обратны тем, которые появляются при действии силы Fx того же знака, что и сила Fy. Таким образом, эффект растяжения кварца в направле­ нии одной оси равнозначен эффекту сжатия его в направлении дру­ гой оси. Установлено, что значение заряда Qy, появляющееся на гранях Sx в результате действия силы Fx, равно:

QM= -kZ&Fy. (1Ы-3)

Уравнение (11-1-3) показывает, что увеличение заряда Qu при одной и той же силе Fy может быть достигнуто путем увеличения размера ау или уменьшения размера ах.

Уравнение (11-1-3) можно представить в следующем видё:

Действие силы Fz в направлении оптической оси не вызывает появления заряда.

Пьезоэлектрический эффект называется продольным, если заряд на гранях Sx возникает вследствие действия сил Fx, и поперечным, если заряды на тех же гранях Sx появляются под действием сил Fy.

Пьезокварцевые манометры, позволяющие измерять давление до 1000 кгс/см2 (100 МПа) и выше, широко применяются при изме­ рении быстропеременных давлений. При этом чем быстрее протекает исследуемый процесс, тем достовернее данный метод. Практически пьезоэлектрический эффект можно считать безынерционным и до­ статочно стабильным.

Устройство преобразователя пьезокварцевого манометра с про­ дольным пьезоэффектом схематично показано на рис. 11-1-2. В кор-

пусе преобразователя расположены две кварцевые пластины 2 и 4, которые обращены друг к другу сторонами одинаковой полярности.. Эти стороны кварцевых пластин прилегают к металлической кон­

щью провода 8 подается на измерительное устройство. Втулка из янтаря, установленная в канале 7, изолирует провод от корпуса преобразователя.

При измерении давления газа, например в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, необходимо учитывать, что преобразователь

вызывает быстрое прогорание мембраны. В силу указанных причин пьезокварцевые преобразовате­

ли для таких условий работы изготовляют с водяным охлаждением. Чувствительность преобразователя можно повысить посредст­ вом увеличения активной площади мембраны, применения большего числа последовательно включенных кварцевых пластин или по­ средством применения удлиненной кварцевой пластины, работаю­

щей с использованием поперечного пьезоэффекта.

Основные трудности измерения давления при помощи пьезопре­ образователя вызываются электростатической природой зарядов,

их малым значением, невозобновляемостью и тенденцией к быст­ рому стенанию через утечки.

В качестве примера рассмотрим упрощенную электрическую схему пьезокварцевого манометра, показанную на рис. 11-1-3. Отрицательный заряд, появляющийся на кварцевых пластинках преобразователя /7, заряжает конденсатор С и управляющую сетку четырехэлектродной лампы Лг до некоторого отрицательного по отношению к катоду потенциала. Этот потенциал определяется зна­ чением давления, действующего на кварцевые пластины преобра­ зователя, и суммарной емкостью сеточного контура лампы. Под влиянием изменения потенциала управляющей сетки изменяется анодный ток лампы. Этот ток усиливается второй лампой Л2, на сетку которой подается напряжение, снимаемое с резистора Rv В анодную цепь второй лампы включен шлейф магнитоэлектриче­ ского осциллографа (ШО). Параллельно этому шлейфу включена батарея с регулировочным резистором R2, предназначенная для компенсации нулевого тока усилителя.

11-2. Манометры сопротивления

Действие манометров сопротивления основано на изменении электрического сопротивления веществ под действием внешнего избыточного давления. К числу таких веществ относятся полупроводники, платина, манганин, константам, вольфрам и ряд других металлов.

Для целей измерения давления, а следователь­ но, и изготовления первичного преобразовате­ ля (или чувствительного элемента), как пока­ зали экспериментальные исследования, в наи­ большей степени подходит манганин.

Манганин имеет линейную зависимость при­ ращения электрического сопротивления AR от давления рн:

AR = tcRplu

метра измерением сверхвысоких давлений (более 1000 кгс/см2 или 100 МПа),

Коэффициент k манганина для разных партий лежит в интер­ вале от 2,34 • 10“6 до 2,51 -10"6 см2/кгс, и манометры с преобразова­ телем из манганиновой проволоки требуют индивидуальной гра­ дуировки.

На рис. 11-2-1 показана схема манометра с преобразователем из манганиновой проволоки. В корпусе манометра ) на двух метал­ лических стержнях 3 смонтирован манганиновый резистор 2. Метал­ лические стержни, являющиеся одновременно выводными провод­ никами, электрически изолированы от корпуса преобразователя. Крепление стержней осуществляется посредством гайки 4.

Герметичность соединения гайки 4 с корпусом преобразователя достигается уплотнением, состоящим из двух шайб и изоляцион­ ных прокладок. Ниппель 5 служит для присоединения преобразо­ вателя на месте его установки к объекту.

Стержни в верхней своей части имеют зажимы, служащие для присоединения преобразователя к измерительному прибору. Для измерения сопротивления манганиновой катушки преобразователя обычно применяют мосты, а при точных измерениях — потенцио­ метры. Пределы допускаемой основной погрешности манометра с манганиновым резистором не превышают ±1% . При более тщатель­ ной градуировке прибора погрешность показаний может быть зна­ чительно уменьшена.

Г Л А В А Д В Е Н А Д Ц А Т А Я

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ МАНОМЕТРЫ

12-1. Общие сведения

Дифференциальные манометры (дифманометры) применяют в раз­ личных отраслях промышленности для измерения перепада давле­ ния, расхода жидкостей, газов и пара по перепаду давления в су­ жающем устройстве (гл. 14) и уровня жидкости, находящейся под атмосферным, избыточным или вакуумметрическим давлением (гл. 19). Кроме того, некоторые типы дифмаиометров используются в качестве тягомеров, напоромеров и тягонапоромеров.

Ниже рассматриваются выпускаемые дифманометры следующих типов: колокольные, кольцевые, поплавковые, мембранные и силь­ фонные. Эти приборы в зависимости от наличия (или отсутствия) устройства для отсчета и дистанционной передачи показаний (элек­ трической, пневматической и др.) подразделяются на следующие разновидности:

1. Дифманометры с отсчетными устройствами, у которых пере­ мещение чувствительного элемента (подвижных частей механизма), вызываемое действием давления или разности давлений, непосред­ ственно или при помощи дополнительных устройств в самом при­ боре используется для показания или записи.

2. Дифманометры с отсчетными устройствами или без них, снабженные передающими преобразователями с унифицированными

выходными сигналами переменного тока й составляющие с вторич­ ными взаимозаменяемыми приборами отдельные измерительные комплекты.

3. Дифманометры с отсчетными устройствами или без них, снабженные передающими преобразователями с унифицированными выходными сигналами постоянного тока или пневматическим сиг­ налом и предназначенные для работы с взаимозаменяемыми вторич­ ными показывающими и самопишущими приборами и регуляторами, а дифманометры с выходным сигналом постоянного тока — с инфор­ мационно-вычислительными машинами.

Указанные выше дифманометры или вторичные приборы, ра­ ботающие в комплекте с ними, могут иметь дополнительные устрой­ ства для сигнализации, интегрирования и др.

Согласно ГОСТ 18140-77 предельные номинальные перепады давления дифма- нометров-расходомеров и дифманометров-перепадомеров или сумма предельных номинальных перепадов давления дифманометров-перепадомеров должны выби­ раться из ряда:

а) 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600 и 2500 кге/м2 (10, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500, 4000, 6300, 10 000, 16 000 и 25 000 Па);

б) 0,4; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10 и 16 кгс/см2 (0,04; 0,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1,0 и 1,6 МПа).

Верхние пределы измерении дифмаиометров-расходомеров, соответствующие предельным номинальным перепадам давления, должны выбираться из ряда

где а — одно из чисел ряда: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; п — целое (поло­ жительное или отрицательное) число или нуль.

Нижние пределы измеренийдифмаиометров-расходомеров должны составлять не более 30% верхних пределов измерений.

Верхние пределы измерений или сумма абсолютных значении пределов измере­ ний дифманометров-перепадомеровдолжнысоответствовать предельным номиналь­ ным перепадам давления или сумме предельных номинальных перепадовдавления.

Верхние пределы измерении или сумма абсолютных значений пределов изме­ рений дифманометров-уровнемеров должны выбираться из ряда: 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 2500, 4000 и 6300 см (0,25; 0,4; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10; 16; 25; 40 и 63 м) высоты столба жидкости, уровень которой измеряют.

Предельные номинальные перепады давления или сумма предельных номи­ нальных перепадовдавления дифманометров-уравнемеровдолжны соответствовать верхним пределам измерении или сумме абсолютных значений пределов измерений с учетом плотности жидкости, уровень которой измеряют. Если дифманометры работают с разделительными сосудами, то необходимо также учитывать плотность разделительной жидкости.

Предельно допускаемые рабочие избыточныедавлениядифмаиометровдолжны соответствовать требованиям ГОСТ 18140-77.

Классы точности дифмаиометров должны выбираться из 'ряда: 0,25; 0,4; 0,5; 0,6; 1; 1,5; 2,5 и 4. Класс точности 4 допускается только для дифманометровс верхними пределамиизмеренийменее 10 кге/м2 (100 Па). Пределы допу­ скаемой основной погрешности дифмаиометров классов точности 0,25; 0,4; 0,6;

принимают:

верхний предел измерений по расходу — для дифмаиометров-расходомеров с равномерной по расходу шкалой (диаграммой) или выходным сигналом, пропор­ циональным расходу;

предельный номинальный перепад давления — для дифмаиометров-расходо- меров с неравномерной по расходу шкалой (диаграммой) или выходным сигналом, пропорциональным перепаду давления;

предельный номинальный перепад давления — для дифманометров-перепадо- меров (или уровнемеров), у которых номинальный перепад давления может при­ нимать только положительное значение;

сумму абсолютных значений предельных номинальных перепадов давления — для дифманометров-уровнемеров (или перепадомеров), у которых номинальный перепад давления может принимать положительное или отрицательное значение.

Вариация показаний или значений выходных сигналов дифманометров ука­ занных выше классов точности не должна превышать значения предела допускае­ мой основной погрешности. Зона нечувствительности дифманометров не должна превышать половины значения предела допускаемой основной погрешности.

По устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающего воздуха дифманометры должны соответствовать требованиям ГОСТ 12997-76.

Изменения показаний или выходных сигналов дифманометров классов точ­ ности 0,25; 0,4; 0,5; 0,6; 1,0; 1,5; 2,5 и 4 при отклонении температуры окружаю­ щего воздуха от нормальной температуры (например, 20±5°С) до любой темпера­ туры, например от 5 до 50°С на каждые 10°С. не должны превышать значений, выраженных в долях предела допустимой основной погрешности, соответ­ ственно 1,2; 1,0; 0,9; 0,8; 0,6; 0,5; 0,3 и 0,3.

Изменение показаний или выходных сигналов дифманометров класса точности 0,6 и дифманометров остальных классов точности не должно превышать соответ­ ственно половины и одной трети значения предела допускаемой основной погреш­ ности при отклонении от номинального значения: напряжения на +10 и —15% (для дифманометров с нормируемым напряжением питания); тока на+10 и —15% (для дифманометровс нормируемым током питания); частоты на± 1Гц (для дифма­ нометров с нормируемой частотой питания переменного тока); давления воздуха на ±0,14кгс/см2 (0,014 МПа)— для дифманометров с нормируемым давлением питания.

Устойчивость дифманометров к механическим воздействиям и магнитным полям, динамические характеристики, смещение нуля под воздействием рабочего избыточного давления обычно устанавливаются в технической документации на конкретные дифманометры.

С другими техническими характеристиками дифманометров можно позна­ комиться в ГОСТ 18140-77.

Предельный номинальный перепад давления Ар л = Р \ — р 2 дифманометров классов точности 0,25; 0,4; 0,5; 0,6 и 1устанавливается при20±2°С, а для.дифма­ нометров классовточности 1,5; 2,5и 4 — при 20л=5сС. При градуировке и поверке этих приборов «минусовая» камера сообщается с атмосферой, а перепаддавления создается путем подачи воздуха под давлением, равным Ар , в «плюсовую» камеру. Номинальные перепады давления дифманометров определяются по показа­ нию параллельно подключенного образцового манометра (микроманометра или другого прибора) в кге/м2 или в кгс/см2.

12-2. Дифманометры колокольные

Дифманометры колокольные могут быть использованы для изме­ рения расхода газа по перепаду давления в сужающем устройстве. Эти дифманометры можно применять также для измерения малых избыточных и вакуумметрических давлений газа, а также перепадов давления.

Наибольшее распространение из числа колокольных дифмано­ метров получили приборы, использующие один колокол, плавающий в жидкости и перемещающийся под воздействием давления или разности давлений газа. Таким образом, перемещение колокола

может служить мерой измеряемого давления или перепада давле­ ния газа. Бывают колокольные дифманометры с двумя колоколами

идвухжидкостные [59], но они распространения не получили.

Вприборах с колоколом, свободно плавающим в жидкости, измеряемый перепад давления уравновешивается силой, возникаю­ щей вследствие увеличения силы тяжести при его подъеме. Этот способ уравновешивания обычно называют гидростатическим.

Уравновешивание измеряемого давления или перепада давле­ ния, воспринимаемого колоколом, может осуществляться с помощью специального груза или упруги­

ми силами винтовой пружины. Такой способ уравновешивания обычно называют механическим. Способ уравновешивания с по­ мощью груза широкого распро­ странения не получил и в при­ борах, выпускаемых в настоящее время, не реализуется.

У дифманометров колоколь­ ных с гидростатическим урав­ новешиванием колокол должен быть толстостенным и с достаточ­ но большой рабочей площадью. В качестве разделительной жид­ кости вэтих приборах применяют ртуть. Колокольныедифманомет­ ры этого типа в настоящее время не изготовляют и не применяют. У дифманометров колокольных с уравновешиванием упругими си­ лами винтовой пружины колоко­ ла изготовляют тонкостенными,

а в качестве разделительной жидкости применяют трансформатор­ ное масло. Форма колоколов у дифманометров колокольной системы может быть разнообразной, но в большинстве случаев колокола выполняются цилиндрической формы, ход которых пропорционален измеряемому давлению или перепаду давления. Имеются также дифманометры с колоколами, внутренние стенки которых имеют профилированную форму, ход этих колоколов пропорционален квадратному корню из значения измеряемого перепада давления [59]. Дифманометры этого типа вследствие сложности изготовления профилированного колокола и необходимости применения в каче­ стве разделительной жидкости ртути распространения не получили.

Рассмотрим колокольный дифманометр, схематически показан­ ный на рис. 12-2-1. У этого прибора колокол, подвешенный на постоянно растянутой винтовой пружине, частично погружен в раз­ делительную жидкость (трансформаторное масло), налитую в сосуд.

Колокол прибора будет находиться в равновесии, а уровень разделительной жидкости на отметке 0—0 до тех пор, пока под колоколом и в сосуде над ним давления одинаковы (рх = р2). В этом случае равнодействующая сил, равная разности между си­ лой тяжести колокола и гидростатическим давлением, уравновеши­ вается силой упругости винтовой пружины:

где кп— жесткость винтовой пружины, Н -м-1; L — длина началь­ ного растяжения пружины, принимаемая равной начальной глу­

свободного падения, м-с-2.

Для дифманометров с тонкостенным колоколом можно пренеб­

При возникновении разности давлений рх— р2 (рх> р2) рав­ новесие сил, приложенных к колоколу, нарушается. При этом появляется подъемная сила от перепада давления, направленная вверх, которая будет перемещать колокол в том же направлении. Это в свою очередь вызовет возникновение противодействующей силы, обусловленной изменением упругих сил винтовой пружины вследствие ее деформации. Когда подъемная сила сделается равной по своему значению противодействующей силе, то колокол, пере­ местившись на высоту Я, займет новое положение равновесия.

Уравнение, определяющее новое состояние равновесия колокола, а вместе с тем и устанавливающее зависимость между измеряемой разностью давления рх— р2 и значением Я, имеет вид:

где FB— внутренняя площадь колокола, м2.

Из уравнения (12-2-3) следует, что для приборов с тонкостен­ ным колоколом значение Я не зависит от плотности разделительной жидкости, но плотность определяет тот максимальный перепад hg рр, который может быть измерен данным прибором. Таким образом, при применении колокольного дифманометра этого типа наиболь­ ший измеряемый им перепад давления Ар = рх— р2 можно при­ нять равным предельному номинальному перепаду давления Дри прибора.

Уравнение, определяющее чувствительность рассматриваемого дифманометра, имеет вид:

я

(12-2-4)

Р1 —Р2

Таким образом, изменяя жесткость пружины и внутреннюю

тонкостенным колоколом при отклонении температуры окружающего

силами винтовой пружины. Дифманометр этого типа, выпускаемый без отсчетных устройств, снабжен дифференциально-трансформа­ торным передающим преобразователем (гл. 8).

В рассматриваемом приборе тонкостенный стальной колокол 3, подвешенный на винтовой пружине 5, плавает в разделительной жидкости (трансформаторном масле), налитой в сосуд 4. Трансфор­ маторное масло отделяет «плюсовую» камеру (под колоколом) от «минусовой» (над колоколом). Для понижения центра тяжести колокола в нижней его части прикреплен кольцевой груз 10, кото­ рый при перемещении колокола остается всегда погруженным в масло.

Дифференциально-трансформаторный преобразователь 9 закреп­ лен на разделительной трубке 8} выполненной из нержавеющей

немагнитной стали. Внутри разделительной трубки находится сер­ дечник 11у жестко связанный с колоколом с помощью стержня 7, выполненного из немагнитной стали.

Дифманометр имеет два запорных вентиля для включения и выключения прибора и один уравнительный вентиль. При работе прибора большее (или избыточное) давление рх подается через вен­ тиль, обозначенный знаком + , и трубку 1 в запасную камеру (ловушку), а затем по трубке 2 — в пространство под колоколом. Меньшее (или вакуумметрическое) давление р2 через вентиль, обозначенный знаком —, и трубку 6 поступает во вторую запасную камеру (ловушку) и через трубку 12 подается в пространство над колоколом. Под действием измеряемой разности давлений pi — р2 колокол и жесткосвязанный с ним сердечник дифференциально­ трансформаторного преобразователя перемещаются до тех пор, пока усилие от приложенной к колоколу разности давлений не уравновесится упругими силами винтовой пружины. Перемещение сердечника приводит к изменению взаимной индуктивности между первичной и вторичной цепями преобразователя, а вместе с тем и к изменению выходного сигнала.

Если измеряемый перепад давления будет превышать предель­ ное номинальное значение, повреждения дифмаиометра не произой­ дет, так как при больших и длительных перегрузках разделитель­ ная жидкость частично сбрасывается в запасные камеры. Если будет иметь место такой случай, то необходимо выключить прибор, слить масло из запасных камер, восстановить уровень масла в приборе и произвести его поверку.

Заполнение прибора маслом и слив его осуществляются через отверстия, закрытые винтовыми пробками, которые на рис. 12-2-2 не показаны.

Дифманометры колокольные типа ДКО-3702 выпускаются с верх­ ними пределами измерений, соответствующими предельным номи­ нальным перепадам давления или сумме предельных номинальных перепадов давления, лежащих в интервале от 10 до 100 кгс/м* (от 100 до 1000 Па). Предельно допускаемое рабочее избыточное дав­ ление дифманометров колокольных2,5 кгс/см2 (0,25МПа). Дифмано­ метр ДКО-3702 имеет класс точности 1. Если дифманометр отградуи­ рован вместе с вторичным прибором, то пределы допускаемой основ­ ной погрешности показаний не превышают ±1,5% нормирующего значения измеряемой величины.

Дифманометры колокольные позволяют измерять расход нахо­ дящегося при низком избыточном давлении газа в комплекте с вто­ ричным прибором, снабженным квадратичным кулачком, и сужаю­ щим устройством при малых перепадах давления. Эти дифманометры используются также в качестве тягомеров, напоромеров и тягонапоромеров.

Дифманометры ДКО-3702 работают в комплекте с вторичными приборами дифференциально-трансформаторной системы КПД 1, КВД1, КСД2 и КСДЗ с нормированной взаимной индуктив­