Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Часть 1. Учебное пособие
.pdf
где Ри - измеренное манометром давление; t - температура шкалы и
жидкости во время измерений;
отградуирована шкала;
ж
t - температура плотности жидкости при
н
ш
t = 20 °С - температура, при которой
н
градуировки; α - температурный коэффициент линейного расширения материала шкалы; β - температурный коэффициент объемного
расширения жидкости; g - ускорение свободного падения в месте измерения; gн = 9,80665 м/с²- нормальное ускорение свободного падения.
В зависимости от материала для латуни α=19Е-6 °С-1, стали
α=11Е-6 °С-1, стекла α=8,5Е-6 °С-1.
17.2.2. Деформационные манометры
Деформационные манометры намного удобней и надежней для
использования, чем жидкостные. Простота, компактность, высокая
точность и широкий диапазон измерений (от 10 Па до 1-2 ГПа) поставили деформационные манометры на первое место в технике измерения давления, и способствовали широкому распространению
практически во всех отраслях промышленности.
Первый деформационный манометр с трубчатым чувствительным элементом был изобретен случайно. Рабочий, при изготовлении змеевика для дистилляционного аппарата, сплющил поперечное сечение цилиндрической трубки, изогнутой по спирали. Тогда, чтобы восстановить форму трубки, один конец ее заглушили, а в
другой конец насосом дали давление воды. При этом часть трубки с
деформированным сечением приняла цилиндрическую форму, а спираль на этом участке разогнулась. Этот эффект и был использован
немецким инженером Шинцем в 1845 г. для изготовления первого
трубчатого чувствительного элемента для измерения давления. Промышленное производство трубчатых деформационных манометров
было организовано французским фабрикантом Бурдоном, получившим в 1849 г. патент на изобретение одновитковой трубчатой пружины, именем которого она до сих пор часто называется («Бурдоновская трубка»). В 1850 г. Примавези и Шеффер изобрели мембранный
201
манометр, а несколько позже в 1881 г. Клейманом получен патент на
сильфонный манометр.
В деформационных приборах давление определяется по деформации упругих чувствительных элементов или по развиваемой ими
силе, которые преобразуются передаточными механизмами в угловое
или линейное перемещение указателя по шкале прибора. В качестве
упругих элементов используют трубчатые пружины, мембраны, мембранные коробки и сильфоны.
По виду упругого чувствительного элемента пружинные приборы делятся на следующие группы:
1) приборы с трубчатой пружиной (рис. 110, а, б);
2) мембранные приборы, упругим элементом которых служит
мембрана (рис. 110, в), мембранная коробка (рис. 110, г, д), блок
мембранных коробок (рис. 110, е, ж);
3) пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис. 110, з);
4) пружинно-сильфонные (рис. 110, и);
5) приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном)
(рис. 110, к).
Рис. 110. Типы пружинных манометров: а – с одновитковой трубчатой
пружиной; б – с многовитковой трубчатой пружиной; в – с мембраной; г, д
– с мембранной коробкой; е, ж – с блоком мембранных коробок; з –
пружинно-мембранный с гибкой мембраной; к – пружинно-сильфонный
202
Приборы с чувствительным элементом в виде гофрированных
мембран, мембранных коробок и мембранных блоков применяют для
измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давления (дифференциальные манометры). Зависимость прогиба мембраны от измеряемого
давления в общем случае нелинейная. Число, форма и размеры гофра
зависят от назначения прибора, пределов измерения и других
факторов.
Чтобы увеличить прогиб в приборах для малых давлений, мембраны попарно соединяют в мембранные коробки, а коробки в мембранные блоки. Мембранные коробки могут быть анероидными (рис.
110, г) и манометрическими (рис. 110, д). Анероидные
коробки, применяемые в барометрах, герметизированы и заполнены воздухом или инертным газом при давлении 1 Па. Деформация анероидной коробки происходит под воздействием разности давления окружающей ее среды и давления в полости коробки.
Так как давление в полости коробки очень мало, можно считать, что
ее деформация определяется атмосферным давлением. Деформация
анероидной или манометрической коробки равна сумме деформаций
составляющих ее мембран.
Другой вид упругих элементов манометров составляют особые
гофрированные коробки, называемые сильфонами. Сильфон представляет собой цилиндрический тонкостенный сосуд, на боковой поверхности которого выдавлены глубокие параллельные волны (рис.
110, к). При воздействии осевой нагрузки, внешнего или внутреннего
давления длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь
в зависимости от направления приложенной силы. Для уменьшения
гистерезисных явлений внутри сильфона устанавливают пружину (рис.
110, и).
Одним из наиболее распространенных видов деформационных
приборов являются манометры с трубчатой пружиной (рис. 111).
203
Рис. 111. Схема манометра с трубчатой пружиной
Имерительная система манометра содержит одновитковую
трубчатую пружину 7, один конец которой герметично соединен с
держателем 7, а на другой конец с наконечником 5 смонтирована тяга
6, которая шарнирно соединена с зубчатым сегментом 4. Перемещение
наконечника трубчатой пружины преобразуется во вращение оси стрелочного указателя 2 с помощью насаженной на ось трубки 3 указателя,
находящейся в зацеплении с зубчатым венцом сегмента 4. При возрастании давления, подаваемого внутрь трубчатой пружины, последняя
разгибается, и стрелочный указатель поворачивается по часовой
стрелке относительно шкалы 9, нанесенной на циферблат, закрепленный на корпусе 10 манометра. Для корректировки угла поворота ука-
зателя относительно шкалы длины плеч шарнирно-рычажного механизма, состоящего из тяги 6 и зубчатого сегмента 4, юстируются за-
жимными винтами. Штуцером 8 манометр присоединяется к источнику давления.
Трубки манометров, рассчитанных на давление до 500 кПа (50
кгс/см2), изготовляют из меди, а трубки манометров, рассчитанных на
большее давление, - из стали.
Свойство изогнутой трубки некруглого сечения - изменять величину изгиба при изменении давления - обусловлено изменением формы
сечения. Под действием давления внутри трубки эллиптическое или
овальное сечение, деформируясь, приближается к круговому, что при-
204
водит к раскручиванию трубки, т. е. к угловому перемещению ее сво-
−=⋅
бодного конца. Это перемещение в определенных пределах пропорционально измеряемому.давлению. Поэтому максимальное рабочее давление манометра должно быть ниже предела пропорциональности с некоторым запасом прочности.
В соответствии с этим шкалу манометра (верхний предел измерения) выбирают таким образом, чтобы рабочий предел измерения
(наибольшее рабочее давление) был не менее 3/4 верхнего предела
измерения при постоянном давлении и не менее 2/3 верхнего предела
измерения при переменном давлении
Перемещение свободного конца трубки под действием давления
весьма невелико, поэтому в конструкцию прибора введен передаточный
механизм, увеличивающий масштаб перемещения конца трубки. Мембранные манометры наиболее удобны для измерения давления вязких
жидкостей или химически агрессивных сред.
17.2.3. Поршневые манометры
Первый поршневой манометр был применен для измерения
давления в 1833 г. Парротом и Ленцсм (Российская Академия наук)
при изучении сжимаемости воздуха и других свойств газов, причем
значение давления для того времени было очень большим (10 МПа).
В 1883 г. Рухгольц (Германия), организовал промышленный выпуск
таких приборов.
Простейший поршневой манометр представлен на рис. 112.
Манометр состоит из цилиндрического поршня 1, притертого к
цилиндру 2 с минимально возможным зазором. Если на нижний торец поршня действует измеряемое давление Р, то для его уравновешивания к поршню должна быть приложена сила F.
Уравнение равновесия с учетом силы трения на боковую поверхность поршня, возникшей при протекании жидкости или газа через зазор между поршнем и цилиндром под действием измеряемого
давления, имеет вид:
,трFFSP
где S – площадь поверхности поперечного сечения поршня; Fтр - сила жидкостного трения на боковую поверхность поршня.
205
Сила жидкостного трения Fтр пропорциональна действующему
давлению. Поэтому эффективная площадь не зависит от давления, а
следовательно, измеряемое давление прямо пропорционально уравновешивающей его силе F.
Поршневой манометр - манометр, в котором действующее на
поршень измеряемое давление преобразуется в силу и определяется
но значению силы, необходимой для ее уравновешивания.
В наиболее распространенных поршневых манометрах давление уравновешивается весом грузов. Такие манометры называются
грузопоршневыми.
Благодаря высокой точности и стабильности поршневые манометры находят преимущественное применение в качестве образцовых и эталонных приборов для поверки манометров.
Рис. 112. Поршневой манометр
При этом, как правило, давление, действующее на поршень,
уравновешивается весом грузов, который всегда можно определить с
необходимой для данных целей точностью.
206
17.2.4. Электрические манометры
Самым разнообразным и многочисленным классом приборов
для измерения давления, являются электрические манометры, в которых измеряемое давление преобразуется в какую-либо электрическую величину, или изменяет электрические свойства определенных
материалов.
Различают следующие основные методы измерения давления
электрическими манометрами:
− тензометрический;
− пьезорезистивный;
− емкостный;
− резонансный;
− индуктивный.
Наиболее распространёнными из электрических манометров
являются тензорометрические преобразователи, принцип действия
которых основан на свойстве материалов изменять свое электрическое сопротивление при механических деформациях, возникающих
под действием приложенной силы. Величина тензоэффекта проводников определяется в основном изменением геометрических размеров резистора (проволоки, пленки), а полупроводников - удельного
сопротивления вследствие изменения эффективной массы и подвижности носителей тока.
Тензорезистивные свойства полупроводникового кремния и германия были обнаружены лишь в 1959 году, а в 1960 году уже началось
серийное производство полупроводниковых тензодатчиков.
Применение полупроводниковых тензорезисторов вместо металлических в датчиках механических величин позволяет на один-два
порядка повысить чувствительность и величину выходного сигнала
датчиков. Это дает возможность обходиться без усилительной аппаратуры, упрощает конструкцию датчиков, расширяет их рабочие
диапазоны. В настоящее время перспективными в тензометрии являются и полупроводниковые материалы на основе моносульфида самария SmS (моносульфид самария)
Проволочные тензорезисторы выпускаются в виде проводников,
жестко связанных с бумажной или пленочной основой (рис. 113).
207
Проводник 3 представляет собой зигзагообразно уложенную
тонкую проволоку (медные, никелевые, железные и др) диаметром
0,02-0,05 мм, к концам которой пайкой или сваркой присоединяются
выводы (медные проводники 4).
Проводники закрываются бумагой, пленкой или лаком 1.
После наклеивания подложки 2 тензорезистора на исследуемую
деформируемую поверхность, деформация этой поверхности передается проводникам и приводит к изменению их сопротивления.
Сопротивление R резистора, выполненного в виде проволоки
длиной l, определяется выражением:
R = ρ·l/ΔS,
где ρ - удельное сопротивление материала проволоки; S – площадь
поверхности поперечного сечения проволоки.
Рис. 113. Конструкция проволочного тензорезистора
Изменение l и S приводит к изменению сопротивления тензоре-
зистора.
Полупроводниковые тензорезисторы изготавливаются на основе чувствительных элементов выполненных в виде сверхтонкой прямоугольной плёнки монокристалла кремния на подложке из сапфира
(КНС), припаянной твердым припоем к титановой мембране
(рис. 114).
208
Рис. 114. Конструкция полупроводникового тензорезистора
Чувствительный элементом датчика давления служит мембрана
с тензорезисторами, которые соединены в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона. Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.
Достоинство таких датчиков - хорошая защищенность чувствительного элемента от воздействия любой агрессивной среды и низкая
стоимость, а недостаток - существенные гистерезисные эффекты от
температуры.
В основе пьезорезистивного метода лежит пьeзо-резистивный
эффект, когда кристалл кремния изменяет свое сопротивление в зависимости от степени давления.
Кремниевый интегральный преобразователь давления (ИПД) на
основе монокристаллического кремния представляет собой мембрану
из монокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами, подключенными в мост Уитстона (рис. 115). Чувствительным
элементом служит кристалл ИПД, установленный на диэлектрическое основание с использованием легкоплавкого стекла или методом
анодного сращивания.
209
Рис. 115. Кремниевый интегральный преобразователь давления
Для измерения давления чистых неагрессивных сред применяются так называемые дешевые решения, основанные на использовании чувствительных элементов либо без защиты, либо с защитой силиконовым гелием (рис. 116).
Рис. 116. Манометр для измерения давления неагрессивных сред
Для измерения давления агрессивных сред и большинства промышленных применений применяется преобразователь давления в
герметичном металлостеклянном корпусе, с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой
среды на ИПД посредством кремнийорганической жидкости
(рис. 117).
210
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]