§ 5. Диференціальні витратоміри

Найбільш поширеними витратомірами змінного перепаду тисків є диференціальні манометри наступних типів: поплавкові, сильфоні, мембранні, дзвонові, пневматичні.

Поплавкові дифманометри працюють на принципі сполучених судин різних діаметрів. Під дією перепаду тиску, підведеного до обох судин, змінюється рівень рідини в дифманометрі, що викликає переміщення поплавка, який знаходиться в одному із судин.

Дві судини сполучені між собою трубкою і наповнені ртуттю. При рівності тисків в обох судинах (Р1 – Р2) висоти ртутних стовпів однакові.

У загальному виді залежність рівня ртуті в посудині від вхідного тиску визначається виразом:

H=P, (1)

де H— висота рівня ртуті,  - питома вага ртуті, Р - вхідний тиск; тоді з умов рівноваги стовпів ртуті в сполучених посудинах можна записати :

P₁ – P₂ =( H₁ + H₂)( - ₁) , (2)

де  - питома вага ртуті, ₁ - питома вага речовини, що знаходиться над ртуттю.

Позначимо перепад тисків і висоту стовпа :

P₁ – P₂ =P, H₁ + H₂=H , (3)

перетворивши рівняння (2), маємо:

P=H( - ₁). (4)

Об’єм ртуті в посудинах за умови рівноваги системи визначається, як:

, (5)

де D₁ та D₂ - діаметри посудин.

Визначивши з рівняння (5) величину Н2, і підставивши її в рівняння (3), маємо:

. (6)

Підставивши значення Н з рівняння (6) у рівняння (4) одержимо:

. (7)

Виходячи з цього, відношення діаметрів D₁ і D₂ для визначеного приладу стале: , різниця питомих ваг( - ₁) для даного приладу постійна, Тому позначаємо ( - ₁)=К_2. Тоді рівняння (6) приймає вигляд Р=К₁ К₂Н₁, тобто величина перепаду тиску Р визначається зміною рівня ртуті Н₁ в першій посудині, що показує принцип дії поплавкових диференціальних манометрів.

Рис. 6 Поплавковий витратомір ДПЕМ-2 :

а – загальний вид; б – схема перетворювача

На рис. 6 показаний безшкальний дифманометр ДПЕМ-2. Прилад має вимірювальну систему і електричний датчик. Камери 1 і 2 сполучені між собою і залиті мастилом. В камері 2 встановлений поплавець 3, що плаває на поверхні мастила. З поплавцем 3 сполучений плунжер 5, що знаходиться в індукційній котушці 4 електричного датчика. При зміні перепаду тисків змінюється рівень мастила, поплавець переміщується вверх або вниз, пересуваючи в тому ж напрямку і плунжер. Електричний датчик (рис. 6) має первинну обмотку 1, що живиться змінним струмом від силового трансформатора електронного підсилювача вторинного приладу, і вторинну обмотку 2, що складається з двох секцій, включених назустріч одна одній. Під дією магнітного потоку первинної обмотки в вторинній обмотці датчика індукується змінна напруга, розмір і фаза якої залежать тільки від положення плунжера в котушці. Індуктивна змінна напруга подається на електронний підсилювач вторинного приладу, який визначає дійсні витрати середовища, яке вимірюється. Таким чином, кожному положенню плунжера датчика, яке залежить від величини перепаду тиску, відповідає конкретне положення стрілки витратоміра.

Основними типами поплавкових дифманометрів є: прилади типу ДП (ДП-780, ДПМ-780), самописні прилади типу ДПМ (ДПМ-710, ДПМ-710Р та ін.) із дистанційною передачею показань типу ДПЕС.

Сильфоні і мембранні дифманометри, що мають невелику інерційність і практично необмежену верхню межу вимірювання, відносяться до пружинних дифманометрів. Чутливими елементами таких дифманометрів, що сприймають перепад тисків, є сильфони і мембрани.

Принцип дії сильфоного дифманометра заснований на зрівноважені перепаду тиску, що вимірюється силами пружних деформацій сильфонів (рис. 7).

Рис. 7 Сильфонний дифманометр

Тиск Р1 подається в корпус 4, а менший тиск Р2 - усередину сильфона 3. Під дією перепаду тисків сильфон деформується, при цьому перепад тисків врівноважується силою пружної деформації сильфона і гвинтової пружини 2. Деформація сильфона, що є функцією перепаду тисків через підйомний механізм 1 перетворюється в переміщення стрілки 5 вимірювального приладу.

У промислових приладах типу ДС-1У сильфоний блок подібний описаному, але вісь 1 пов'язана з плунжером, що переміщується відносно індукційної котушки, включеної разом із котушкою вторинного приладу в індукційну диференційно-трансформаторну вимірювальну схему.

Для створення протидіючої сили сильфони доповнюються гвинтовими пружинами. Практичні схеми дифманометрів мають сильфоні блоки з двох сильфонів, сполучених між собою регульованим дроселем—демпфером.

Основними типами сильфонних дифманометрів є: безшкальні прилади типу ДС (ДС-ПЗ, ДС-П4, ДС-П5), дифманометри сильфоні показові типу ДСП (ДСП-780, ДСП-778), дифманометри сильфонні самописного типу ДСС (ДСС-710, ДСС-712, ДСС-732). Робочий діапазон перепадів тиску різних типів сильфонних дифманометрів складає від 40 до 0,63 МПа (400-6,3 кгс/см²).

Рис. 8 Мембранний дифманометр ДМ

Мембранні дифманометри типу ДМ (рис. 8) в якості чутливого елемента використовують мембранний блок, що складається з двох сполучених між собою мембранних коробок 7 і 8. Кожна мембранна коробка зібрана з двох мембран, усередині яких знаходиться дистильована вода. Перепад тиску від пристрою, що звужує, у камери підводиться через імпульсні трубки 6 і 9, на яких установлені запірні вентилі 1 і 3; вентиль 2 використовується для зрівноваження тисків. У робочому стані в дифманометру вентиль 2 знаходиться в закритому стані. З центром верхньої мембрани закріплено осердя 4 диференційно-трансформаторного датчика.

Диференційно-трансформаторний датчик представляє собою індукційну котушку 5 із двох обмоток, всередині якої розміщене осердя 4 із м'якої сталі. Первинна обмотка датчика живиться напругою від вторинного електронного приладу. Під дією різниці тисків нижня мембранна коробка стискається, рідина перетікає у верхню коробку, коробка збільшується в об’ємі і переміщує вверх осердя 4. В результаті цього у вторинній обмотці індукційної котушки змінюється напруга і фаза вихідного сигналу. Вихідний сигнал реєструється вторинним електронним приладом - витратоміром.

Деформація мембран відбувається до моменту зрівноважування сил, викликаних перепадом тисків і пружних сил мембранних коробок. Мембранні коробки в залежності від робочого перепаду тисків мають визначену розрахункову жорсткість.

Кільцевий диференціальний манометр типу ДК-Ф (рис. 9) застосовується для вимірювання витрат і різниці тисків неагресивних газів і рідин. Відмінною рисою кільцевих дифманометрів є можливість їх використання при вимірюванні малих перепадів тисків. Чутливим елементом приладу є заповнене до половини висоти робочою рідиною (трансформаторним мастилом або водою) порожнисте рухливе кільце 3, яке встановлено на опорі 8. У верхній частині кільце розділене перегородкою 10 на два відсіки, в які від камери через імпульсні трубки 2 подається перепад тиску, що вимірюється. У нижній частині кільця укріплений вантаж - противага 6. Під дією перепаду тисків рідина, що є гідравлічним затвором, який розділяє плюсову і мінусову порожнини кільцевої камери, переміщується з камери з великим тиском (плюсову) у камеру з меншим тиском (мінусову). При цьому центр ваги кільця змінюється, відбувається його поворот на опорі 8 на визначений кут. Кут повороту кільця визначається рівністю моменту обертання Мвр, утворюваного перепадом тиску і протидіючого моменту Мпр вантажу - противаги 6; Мвр=Мпр.

Рис. 9 Кільцевий дифманометр ДК-Ф

Передавальний механізм перетворює кутове переміщення кільця в переміщення стрілки приладу, що показує. У цілому ряді приладів, у тому числі й у приладі ДК-Ф, поворот кільця через передавальний механізм перетворюється в поворот рамок феродинамічних перетворювачів.

Прилади типів ДК, ДК-Ф мають високу точність вимірювання, їх показники не залежать від щільності робочої рідини і температури навколишнього середовища. Максимальний перепад тисків, що вимірюється складає 250 мм рт.ст.