Никитин, Бойко - Методы и средства измерений, испытаний и контроля - 2004

Для увеличения жесткости внутри сильфона часто помещают пружину. Сильфоны изготовляют из бронзы различных марок, полутомпака, углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и др. Серийно производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8—10 до 80—100 мм и толщиной стенки 0,1—0,3 мм. Осевое перемещение δ дна сильфона под действием осевой силы N определяют по формуле (14.20) /8/

где hо — толщина стенки на внутреннем диаметре (принимают равной толщине трубки, из которой изготовляют сильфон);

п — число рабочих гофров; α — угол уплотнения;

A0,A1,A2,В0 — коэффициенты, зависящие от отношений

RН/RB и r/RB (RH и RB — наружный и внутренний радиусы сильфона; r—радиус закругления гофров по средней линии контура).

Осевую силу можно определить, зная разность давлений ∆Р,

действующую на сильфон, т. е. N = ∆PFэф, где Fэф=π(RH + RB)2/4 — эффективная площадь cильфона, которая при значительных перемещениях дна

сильфона остается практически постоянной.

Мембраны. Различают упругие и эластичные (вялые) мембраны. Упругая мембрана—гибкая круглая плоская (плоская мембрана) или гофрированная (гофрированная мембрана) пластина, способная получить прогиб под действием давления (рисунок 14.117 е, ж). Статическая характеристика плоских мембран изменяется нелинейно с увеличением давления, поэтому здесь в качестве рабочего участка используют небольшую часть возможного хода. Гофрированные мембраны могут применяться при больших прогибах, чем плоские, так как имеют значительно меньшую нелинейность характеристики. Мембраны изготовляют из различных марок стали, бронзы, томпака, латуни и т. д. Величина прогиба δ центра плоской мембраны, закрепленной по контуру, при малых перемещениях под действием давления Р вычисляется по формуле (14.21) и равна /8/

где R—рабочий радиус мембраны (по контуру закрепления); h - толщина мембраны.

Величину прогиба δ гофрированных мембран определяют из выражения

(14.22) /8/

где а и b—коэффициенты, зависящие от формы профиля мембраны и ее толщины.

Гофры применяются треугольной, трапециевидной, синусоидальной и круговой форм. При необходимости получения большего прогиба используют соединение мембран в виде мембранных коробок (рисунок 14.117 з), а также блоки, собранные из нескольких мембранных коробок (рисунок 14.117 к).

Глубина гофр оказывает существенное влияние на линейность статической характеристики. Чем больше глубина гофр, тем линейность статической характеристики выше.

При измерении атмосферного (барометрического) давления получили распространение гофрированные мембранные коробки, из внутренней полости которой воздух удален (рисунок 14.117 л). Эластичная мембрана, предназначенная для измерения малых давлений и разности давлений, представляет собой зажатые между фланцами плоские или гофрированные диски, выполненные из прорезиненной ткани, тефлона и др. Плоские и гофрированные эластичные мембраны предназначены в основном для создания достаточных перестановочных усилий при сравнительно небольших перемещениях. Перестановочное усилие эластичной мембраны зависит от ее эффективной площади, которая при умножении на перепад давления создает усилие, приложенное к геометрическому центру мемраны. Эффективная площадь плоской эластичной мембраны, зажатой между фланцами, при малом прогибе мембраны приближенно равна 1/3 ее полной геометрической площади (остальные 2/3 площади передают усилие к опоре), т. е. Fэф = πD2/12, где D— диаметр опоры мембраны. Перестановочное усилие, создаваемое такой мембраной будем вычислять по формуле (14.23) /8/

В большинстве случаев используют лишь часть максимально возможного хода мембраны (до 10 %). При большом ходе мембраны связь между усилием N и ходом центра мембраны нелинейна. Для уменьшения нелинейности и увеличения перестановочного усилия применяют эластичные мембраны с жестким центром, представляющим собой два металлических диска, закрепленных с двух сторон на мембране; оставшаяся свободная часть мембраны между дисками жесткого центра и заделкой по периферии образует эластичное мембранное кольцо. Усилие, создаваемое мембраной c жестким центром под действием давления Р, вычисляется по формуле (14.24) /8/

где D — диаметр мембраны;

d — диаметр жесткого центра.

На рисунке 14.117 м, н показаны типы эластичных мембран. При измерении перепада давления необходимо, чтобы при воздействии односторонних перегрузок на чувствительный элемент не происходило его повреждения.

Применение мембранных блоков с жидкостным заполнением (рисунок

14. 117 о) позволяет решить эту задачу. При односторонней перегрузке, когда разность давлений Р1 — Р2 больше верхнего предела измерений, на который рассчитан чувствительный элемент повреждение коробки не происходит, так как мембраны складываются по профилю, а жидкость перетекает во вторую коробку. Одной из основных характеристик деформационного, чувствительного элемента является зависимость перемещения δ рабочей точки от действующего давления Р или разности давлений. Эта характеристика δ =f(P), называемая статической, может быть линейной или нелинейной. Ход статической характеристики в пределах упругой деформации неоднозначен и образует петлю гистерезиса. Значение гистерезиса определяет систематическую погрешность деформационных средств измерений.

Кроме отмеченного недостатка чувствительным элементам присуще свойство упругого последействия, суть которого состоит в том, что после прекращения изменения давления деформация продолжает уменьшаться, асимптотически приближаясь к предельному значению. Наряду с упругим последействием при эксплуатации чувствительных элементов имеет место остаточная деформация, заключающаяся в том, что после снятия давления чувствительный элемент не возвращается в исходное положение. При многократных измерениях остаточная деформация накапливается, что приводит к значительным погрешностям. Изложенные особенности деформационных, чувствительных элементов объясняют тот факт, что для технических манометров верхний предел измерений ограничивается половиной давления, соответствующего пределу пропорциональности статической характеристики, в то время как для образцовых приборов предел измерений ограничивается четвертой частью давления, соответствующего пределу пропорциональности.

14.2.3 Деформационные приборы для измерения давления

Высокая точность, простота конструкции, надежность и низкая стоимость являются основными факторами, обусловливающими широкое распространение деформационных приборов для измерения давления в промышленности и научных исследованиях.

14.2.3.1 Измерительные приборы с одновитковой трубчатой пружиной

Эти приборы предназначены для измерения избыточного давления и разрежения неагрессивных жидких и газообразных сред. Приборы этого типа выпускаются только показывающие в обыкновенном, виброустойчивом, антикоррозионном, пыле-, брызго- и взрывозащищенном исполнениях. Для передачи перемещения свободного конца деформационного ЧЭ к указателю манометра используют секторные и рычажные передаточные механизмы. С помощью передаточного механизма перемещение свободного конца трубчатой пружины в несколько градусов или миллиметров преобразуется в угловое перемещение стрелки на 270—300 °. Рычажный передаточный механизм применяется в тех случаях, когда от манометра не требуется высокая точность измерения и он подвергается вибрации. Секторный передаточный механизм применяется в образцовых приборах и в приборах, где по условиям эксплуатации исключена вибрация.

На рисунке 14.118 показана конструкция манометра с секторным передаточным механизмом. Прибор состоит из трубчатой пружины 5, один конец которой впаян в отверстие держателя 1, а другой (подвижный) конец наглухо запаян и несет на себе наконечник 10. Полость пружины связана с измеряемой средой через канал в держателе 7, снабженном радиальным штуцером 14. Держатель прибора оснащен платой 2, на которой монтируется трибко-секторный механизм. Последний включает зубчатое колесо (трибку) 8 и зубчатый сектор 9. Для исключения люфта в передаточном механизме используется спиральная пружина 7, один конец которой с помощью штифта крепится на оси трибки, а другой—к колонке 6, укрепленной на плате 2. К хвостовику сектора 9 с помощью винта 12 крепится тяга 11. Посредством тяги перемещение свободного конца пружины передается зубчатому сектору, который имеет ось вращения 13. Вращение зубчатого сектора передается трибке, на оси которой насажена стрелка 4 для отсчета показаний на шкале 8. Шкала манометра равномерная, так как перемещение свободного конца пружины пропорционально измеряемому давлению. Регулировка хода стрелки производится винтом 12. Вакуумметр с одновитковой трубчатой пружиной конструктивно идентичен рассмотренному манометру. Отличие состоит только в шкале и направлении перемещения стрелки. В вакуумметрах перемещение стрелки может происходить как по часовой стрелке, так и против. Отличительной особенностью мановакуумметра является шкала, которая выполняется с нулем в средней части. Шкала, расположенная слева от нуля, служит для измерения вакуума, а шкала, расположенная справа,— для измерения избыточного давления. Диапазоны измерений манометров от 0 - 0,1 МПа до 0 - 103 МПа; вакуумметров — от - 0,1 до 0 МПа. Классы точности приборов: 0,4(0,5); 0.6; 1.0; 1,5(1,6); 2,5; 4,0.

Рисунок 14.118 - Схема манометра с одновитковой трубчатой пружиной

Наряду с рассмотренными приборами, оснащенными одинаковой трубчатой пружиной, в практике измерения давления и разрежения получили широкое распространение манометры и вакуумметры, снабженные электроконтактными сигнализирующими устройствами. Эти средства измерений давления получили название электроконтактных. Класс точности электроконтактных манометров и вакуумметров 1,5. Погрешность срабатывания сигнализирующего устройства ± 2,5 %.

14.2.3.2 Измерительные приборы с многовитковой трубчатой пружиной

Благодаря большому числу витков перемещение свободного конца многовитковой трубчатой пружины и развиваемые ею усилия достигают значений, позволяющих осуществлять показания и запись измеряемого давления или разрежения. Ниже, на рисунке 14.119 показана схема манометра с многовитковой трубчатой пружиной. Измеряемое давление через штуцер 1 по капилляру 8 подается во внутреннюю полость многовитковой трубчатой пружины 7. Один конец пружины прикреплен к кронштейну 6, а другой — соединен с осью 9. Под действием давления пружина раскручивается, что сопровождается вращением оси 9 и находящегося на ней рычага 10, вращение которого через тягу 13 передается рычагу 4, находящемуся на одной оси 5 со стрелкой 3. На конце стрелки укреплено перо 14, перемещающееся по дисковой диаграмме 2, вращение которой осуществляется электродвигателем или часовым механизмом.

Для регулировки размаха стрелки предусмотрен ползун 11 с винтом 12. Класс точности показывающих и самопишущих приборов с многовитковой

трубчатой пружиной 1,0; 1,5. Диапазоны измерений манометров от 0—0,6 МПа до 0—160 МПа; вакуумметров—от —0,06—0 МПа до—0,1—0 МПа.

Рисунок 14.119 – Схема манометра с многовитковой трубкой

14.2.3.3 Измерительные приборы с сильфонным чувствительным элементом

Приборы этого типа предназначены для измерения избыточного давления, разрежения и разности давлений. Их выполняют показывающими и самопишущими. Схема самопишущего сильфонного манометра показана на рисунке 14.120. Измеряемое давление через штуцер 11 подается в камеру 10, где расположен деформационный чувствительный элемент – сильфон 9. Для увеличения жесткости сильфона внутри него расположена винтовая пружина 8. Под действием давления сильфон деформируется и дно его поднимает шток 7, жестко связанный с двухплечим рычагом 6, последний через систему рычагов 5, 4, 3 поворачивает ось 12 и укрепленный на ней П-образный рычаг 2. К П- образному рычагу прикреплена стрелка 1 с пером. Запись измеряемого давления производится на дисковой диаграмме, привод которой осуществляется с помощью синхронного двигателя или часового механизма.

Рисунок 14.120 – Схема самопишущего манометра с сильфонным чувствительным элементом

Верхний предел измерений сильфонных приборов ограничен давлениями 0,025—0,4 МПа. Классы точности сильфонных манометров избыточного давления, вакуумметров и мановакуумметров: 1,5; 2,5. Для измерения разности давлений и расхода жидких и газообразных сред широкое применение получили сильфонные дифманометры. На рисунке 14.121 показана схема сильфонного дифманометра.

Рисунок 14.121 - Схема самопишущего сильфонного дифманометра

Под действием измеряемого перепада давления рабочий сильфон 7, расположенный в плюсовой камере (камера, в которую подается большее давление), сжимается, что приводит к вытеснению рабочей жидкости, заполняющей внутреннюю полость дифманометра, во внутреннюю полость дифманометра, во внутреннюю полость рабочего сильфона 4. Деформация сильфонов вызывает перемещение штока 2 и изменение натяга противодействующих пружин 5. Перемещение штока прекращается, когда усилие деформации сильфонов уравновешивается усилием натяга противодействующих пружин. В процессе перемещения штока 2 последний поворачивает рычаг 3 против часовой стрелки, который закручивает торсионную трубку 6. Одновременно с торсионной трубкой поворачивается ось 7, жестко связанная с рычагом 8. Перемещение рычага 8 передается оси 9, на которой укреплена стрелка 10. С целью исключения влияния изменения температуры окружающего воздуха на показания прибора последний снабжен температурным компенсатором, выполненным в виде трех дополнительных гофр 14. Внутренние полости термокомпенсатора и сильфона соединены между собой отверстиями в разделительном стакане 13. В процессе термокомпенсации жидкость из полости термокомпенсатора перетекает в полость рабочего сильфона. Резиновые кольца 11 служат для герметизации полостей рабочих сильфонов, когда один из сильфонов находится под воздействием односторонней перегрузки. Это позволяет предохранить сильфоны от разрушения. Клапан 12 регулирует скорость перетекания жидкости из полостей рабочих сильфонов и тем самым степень успокоения указателя прибора. Для передачи на расстояние показаний сильфонных дифманометров последние оснащаются преобразователями П перемещения в унифицированный токовый или пневматический сигнал. Предельные номинальные перепады давлений составляют 0,0063—0,25 МПа. Предельное допустимое рабочее избыточное давление: 6,3; 16 и 32 МПа. Классы точности сильфонных показывающих и самопишущих дифманометров 1,0 и 1,5.

Измерительные приборы с мембранным чувствительным элементом. Эти приборы предназначены для измерения атмосферного и избыточного давлений и разрежения. Из-за малости усилий, развиваемых деформационным чувствительным элементом, мембранные приборы выпускаются в основном показывающими. Принцип действия приборов состоит в преобразовании измеряемого давления или разрежения в перемещение жесткого центра мембранного чувствительного элемента, которое с помощью передаточного трибко-секторного механизма преобразуется во вращательное движение указателя. Максимальный диапазон измерений мембранных манометров 0—2,5 МПа, вакуумметров — от —0,1 до 0 МПа. Классы точности приборов 1,5 и 2,5. Кроме рассмотренных приборов выпускаются показывающие мембранные тягомеры, напоромеры и тягонапоромеры классов точности 1,5; 2,5.

14.2.3.4 Деформационные измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобразования

Выпускаемые в настоящее время измерительные преобразователи давления, основанные на методе прямого преобразования, различаются как видом деформационного чувствительного элемента, так и способом преобразования его перемещения или развиваемого им усилия в сигнал измерительной информации. Для преобразования перемещения чувствительного элемента в сигнал измерительной информации широко применяются индуктивные, дифференциально-трансформаторные, емкостные, тензорезисторные и другие преобразовательные элементы. Преобразование усилия, развиваемого чувствительным элементом, в сигнал измерительной информации осуществляется пьезоэлектрическими преобразовательными элементами.

Индуктивные измерительные преобразователи давления.

На рисунке 14.122 а показана схема измерительного преобразователя давления, оснащенного преобразовательным элементом индуктивного типа. Мембрана 1, воспринимающая давления, является подвижным якорем электромагнита 2 с обмоткой 3. Под действием измеряемого давления мембрана 1 перемещается, что вызывает изменение электрического сопротивления индуктивного преобразовательного элемента.

Рисунок 14.122 - Схемы измерительных преобразователей давления

Если пренебречь активным сопротивлением катушки, магнитными потоками рассеяния и потерями в сердечнике, индуктивность L преобразовательного элемента можно определить по формуле (14.25) /8/

где W - число витков катушки;

lс, Sс - длина и площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника;

δ - длина воздушного зазора;

µc, µ0 - магнитная проницаемость сердечника и воздуха;

S - площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода.

В процессе измерения величина lс /(µc Sс) <<δ /(µ0 S), поэтому

Принимая во внимание, что величина деформации мембраны пропорциональна измеряемому давлению получаем уравнение (14.27) /8/

Уравнение (14.28) представляет собой статическую характеристику измерительного преобразователя давления индуктивного типа. Измерение L осуществляется обычно мостами переменного тока или резонансными LС- контурами. При давлениях 0,5—1,0 МПа толщина мембраны 0,1—0,3 мм, а при давлениях 20—30 МПа— 1,3 мм. Рабочее перемещение мембраны составляет сотые доли миллиметра. Основная погрешность индуктивных преобразователей давления ± (0,2-5) %, постоянная времени (2,2—3) 10 - 4 с.

Дифференциально-трансформаторные измерительные преобразователи давления.

Измерительный преобразователь давления дифференциальнотрансформаторного (ДТ) типа (рисунке 14.122 б) содержит деформационный чувствительный элемент 1 и ДТ-преобразовательный элемент 2. Преобразовательный элемент представляет собой каркас из диэлектрика, на котором размещены катушка с первичной обмоткой 7, состоящей из двух секций, намотанных согласно, двух секций 4, 5 вторичной обмотки, включенных встречно. Внутри канала катушки расположен подвижный сердечник 6 из магнитомягкого материала, связанный с пружиной 1 тягой 3.

К выходу вторичной обмотки подключен делитель, состоящий из регулируемого R1 и постоянного R2 резисторов. Делитель используется при настройке преобразователя на заданный диапазон. Путем изменения сопротивления R1 можно изменять пределы измерений на ± 25 %.

Формирование выходного сигнала ДТ-преобразовательного элемента осуществляется следующим образом. При протекании по первичной обмотке тока I1 возникают магнитные потоки, пронизывающие обе секции вторичной