Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Прилади видимого рівня

U-подібний манометр (рис. 11.1) представляє собою

конструкцію, яка складається з скляної U-подібної трубки 1,

заповненої рідиною (підфарбований спирт або ртуть) і шкали,

які закріплені на стойці 2.

Рис. 11.1. Двотрубний U-подібний манометр

1 – скляна U-подібна трубка з робочою рідиною; 2 – стойка

Один кінець трубки (відкритий) знаходиться під дією

атмосферного тиску pä^,а інший – під дією вимірювального

тиску p_aдосліджуваного об’єкта. Якщо p_a> pä^,то рідина

перетікатиме із правої частини U-подібної трубки у ліву доти,

поки вимірюваний тиск p_aне врівноважиться гідростатичним

тиском стовпа рідини висотою H .

Аналітично це можна представити наступним чином

p S_a= p S HSg ( ñ ñ₁) , (11.1)

де S - площа поперечного перерізу U-подібної трубки ( м²); H

- висота стовпа рідини ( м ); g - прискорення сили земного

тяжіння ( м с/²); ñ і ñ₁ - відповідно густина рідини в U-

подібній трубці і речовини, що знаходиться над нею ( кг м/³).

Звідси тиски p_aі pä вимірюються в паскалях (Па).

Оскільки, як зазначалось вище, p_a− pä⁼p_H, то вираз (11.1)

можна переписати наступним чином

p_H= Hg ( ñ ñ₁) . (11.2)

Якщо в манометрі над робочою рідиною знаходиться газ, то

щільністю ñ₁можна знехтувати.

Тоді

p_H= Hg ñ . (11.3)

Звідси видно, що висота H стовпа рідини в манометрі

відповідає величині надлишкового тиску p_H.

Визначивши із (11.3) значення p_Hі враховуючи, що

величина тиску pä відома, можна знайти абсолютний тиск p_a

( p_a= p_H+ pä⁾в досліджуваному об’єкті.

Якщо тиск в досліджуваному об’єкті буде меншим за

атмосферний p_a< pä^,то в цьому випадку висота стовпа рідини

відповідатиме величині розрідження (вакууму).

При під’єднанні вільних кінців манометра до об’єктів з

різним значенням абсолютного тиску, величина цієї різниці

визначатиметься за різницею рівнів рідини в U-подібній трубці.

У випадку, коли данний манометр наповнений рідиною до

нульової відмітки шкали для визначення висоти стовпа рідини

необхідно зробити два відліки: зниження рівня рідини в одному

коліні і підвищення рівня у другому коліні, після чого виміряні

величини просумувати.

Однотрубнийприлад. Даний різновид манометра отримав

назву «чашечний» і являється модифікацією двотрубного U-

подібного манометра, представленого на рис.11.2. Один кінець

його виконано у вигляді широкої чашкоподібної посудини 1,

з’єднаної з об’єктом, де вимірюється тиск, діаметр якої

перевищує діаметр вертикальної скляної трубки 2, що з’єднана з

атмосферою (рис.11.2).

Рис.11.2. Чашечний манометр

1 – чашка; 2 – трубка

Оскільки площа поперечного перерізу чашки S більша за

площу поперечного перерізу трубки s (на практиці приймається

S ≤ 400s ), то при вимірюваннях, рівень h₁рідини в чашці буде

набагато меншим за рівень h₂рідини в трубці, у зв’язку з чим,

першим можна знехтувати. Виходячи з цього надлишковий тиск

для чашечних манометрів визначається як

p = p − pä⁼h g

₁+^s

( ñ ñ )

. (11.4)



S 

Приладибезвидимогорівня (поплавкові,кільцеві,

«колокольні»)

- Поплавковідифманометри

Поплавкові дифманометри представляють собою U-подібні

рідинні прилади у яких одне з колін розширено і в ньому

розміщено поплавок, який зв’язаний із стрілкою що

переміщається відносно шкали. Дані прилади призначені для

вимірювання різниці тисків.

На рис.11.3 наведено схему поплавкового дифманометра.

Рис.11.3. Схема поплавкового дифманометра:

1 і 7 – більша і менша посудини; 2 – поплавок;

3 – показчик; 4, 5, 6 – вентилі.

Якщо в лівій порожнині тиск p₁, а в правій p₂, то при

p₁> p₂рівень рідини в лівій порожнині зменшиться на висоту

h₂, а в правій порожнині збільшиться на висоту h₁.

Різниця тисків p₁− p₂врівноважується стовпом рідини

висотою H .

H = +h₁h₂. (11.5)

Умова рівноваги аналітично запишеться

p ( )

1 − p₂= Hg ñ ñ₁, (11.6)

де g - місцеве прискорення вільного падіння; ñ і ñ₁ -

відповідно густини робочої рідини і середовища, що

вимірюється.

Для посудин циліндричної форми можна записати

= h d²

, де D і d - відповідно діаметри лівої і

h D₂/ 4₁

/ 4

правої посудин приладу.

З останнього виразу маємо

2 2

h₁= h D d₂/ . (11.7)

Тоді з (11.5) і (11.7) випливає, що

H = h ( 2 2 )

2¹+ D d/ . (11.8)

Підставивши в (11.6) із (11.8) замість H його значення

отримаємо

h g

( +

2 2 ) (

D d ñ ñ

)

. (11.9)

1 − p₂2

Для даного приладу вирази

1+ D d²/²та

ñ ñ₁є

постійними, тому їх можна виразити через постійні коефіцієнти,

відповідно як k та k₁.

Виходячи із цього (11.9) перепишеться

= kk h , (11.10)

або

1 − p₂

1 2

∆ =p kk h_{1 2}. (11.11)

З (11.11) видно, що різницю тисків ∆p можна виразити

величиною переміщення h₂поплавка. Це вказує на те, що шкала

такого приладу є рівномірною.

Поплавкові дифманометри застосовуються при статичних

тисках вимірювального середовища не більше ніж 25 МПа. Клас

точності цих приладів 1,0; 1,5.

Для передачі на відстань інформації про значення

вимірюваного перепаду тиску ∆p , зазначені дифманометри

оснащено (рис.11.3) перетворювачами П переміщення показчика

3 в уніфікований сигнал (електричний чи пневматичний)

вимірювальної інформації.

- Кільцевіприлади призначені для вимірювання малих

тисків, розріджень та різниці тисків. Кільцевий прилад показано

на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Схема кільцевого дифманометра

Прилад складається з порожнинного замкненого кільця 1,

розділеного перегородкою 2. Кільце підвішено на ножовій опорі

3 в її геометричному центрі. Патрубки 4 і 5 призначені для

з’єднання кільця з порожниною в якій вимірюється тиск або

розрідження. До нижньої частини кільця прикріплено противагу

6. Порожнина кільця на половину заповнена рідиною (вода,

масло, ртуть).

При з’єднанні обох порожнин кільця з об’єктами, в яких тиск

дорівнює p₁і p₂ (причому p₁> p₂), рівень рідини в лівій

половині кільця знижується, а в правій відповідно підвищується.

Різниця рівнів h пропорційна різниці тисків

p₁− p₂= h g , (11.12)

де ñ - густина рідини, яка заповнює кільце.

Водночас сила від різниці тисків p₁− p₂, яка діятиме на

перегородку, створює обертовий момент M_o

(

)

M_o= p₁− p sr₂, (11.13)

де s - площа поперечного перерізу перегородки; r - середній

радіус кільця.

Протидіючий момент M П визначиться як

sin

М П⁼Ga ϕ , (11.14)

де G - сила дії противаги; a - плече; ϕ - кут повороту кільця.

При врівноваженні обох моментів (_o

M = M ) можна

записати, що

1 − p₂

=^Gasin ϕ . (11.15)

Оскільки G const ; a const ; s const ; r const , то можна

записати

∆ =p K sin ϕ , (11.16)

де

∆ =p p₁− p₂; K =

Із (11.16) видно, що вимірюваний перепад тисків ∆p

прямопропорційний синусу кута повороту кільця приладу.

Звідси випливає, що шкала кільцевого дифманометра є

нерівномірною.

Прилади кільцевого типу виготовляються показуючими,

показуючо-самопишучими та з дистанційною передачею

результатів вимірювання.

Данні прилади з водяним і масляним заповнювачами

призначені для роботи з надлишковим тиском 49 кПа, а з

ртутним заповнювачем – в діапазоні від 980-9800 кПа. Клас

точності даних дифманометрів 1,0 і 1,5.

- «Колокольні»дифманометри. Дифманометри цього типу

представляють собою колокол, що знаходиться в робочій рідині

і переміщується під впливом різниці тисків. Протидіюча сила

створюється за рахунок збільшення ваги колокола при його

підйомі і зменшення ваги при його опусканні. Це досягається за

рахунок зміни гідростатичної підйомної сили, що діє на колокол

згідно закону Архімеда.

Принцип дії «колокольного» дифманометра пояснює рис.

11.5, а і б.

Рис. 11.5. «Колокольний» дифманометр

а) вихідне положення; б) стан рівноваги при вспливанні «колокола»

p₁і p₂ - тиски в досліджуваних об’єктах; 1 – «колокол»; 2 і 3 –

внутрішня і зовнішня вимірювальні камери; 4 – поверхня камери 3; F -

площа зовнішнього поперечного перерізу «колокола»; dH - елементарне

переміщення «колокола»; dx - елементарне переміщення рідини в зовнішній

посудині; dy - переміщення рідини під «колоколом»; Ö - площа

поперечного перерізу зовнішньої посудини; П – перетворювач переміщення

показчика в уніфікований сигнал

Якщо тиски у вимірювальних камерах 2 і 3 рівні між собою,

то «колокол» 1 знаходиться у положенні, показаному на

рис.11.5,а. Якщо утворюється відповідний перепад тиску

p₁− p₂, то він почне вспливати. Вспливання проходитиме доти,

поки зміна підйомної сили від перепаду тиску на «колоколі» і

зміна гідростатичної підйомної сили не зрівноважаться.

Рівняння статичної характеристики даного дифманометра

має вигляд

∆

(

) (

1 − p₂

)

, (11.17)

fg ñ ñ₁

де H - величина переміщення «колокола»; ∆f - площа

поперечного перерізу стінок «колокола»; ñ і ñ₁ - густина

робочої рідини і вимірюваного середовища; f - внутрішня

площа поперечного перерізу «колокола».

Оскільки f , ∆f , g , ñ , ñ₁є величинами постійними, то

(11.17) можна переписати як

∆ =p kH , (11.17)

∆fg ( ñ ñ₁)

де k =

;

∆ =p p₁− p₂.

Із (11.17) випливає, що величина переміщення «колокола» в

даних дифманометрах пропорційна вимірюваному перепаду

тисків.

«Колокольні» дифманометри мають високу чутливість і

можуть бути використовуваними для вимірювання малих тисків,

перепадів тисків і розріджень.

Деякі модифікації «колокольних» дифманометрів оснащено

перетворювачами П, з допомогою яких переміщення «колокола»

перетворюється в уніфікований сигнал вимірювальної

інформації, який передається по каналу зв’язку.

Тема 12. Вимірювання тиску з допомогою деформаційних

приладів (з трубчастою пружиною, мембранних, сильфонних)

На практиці, для вимірювання тиску, широкого вжитку

набули так звані деформаційніприлади – прилади з пружинним

чутливим елементом.

Принцип дії таких приладів грунтується на явищі деформації

або згинаючого моменту різних пружних елементів під дією

вимірювального тиску відповідного середрвища і перетворення

його в переміщення або силу, що в свою чергу перетворюється,

з допомогою передаючих механізмів, у кутове або лінійне

переміщення показчика відносно шкали.

За видом пружного чутливого елементу пружинні прилади

можна розділити на такі групи:

- прилади з трубчастою пружиною;

- мембранні прилади;

- сильфонні прилади.

До найбільш розповсюдженого виду деформаційних

приладів відносяться манометри з трубчастою пружиною.

Чутливим елементом таких приладів є зігнута дугою і запаяна з

одного кінця трубка Бурдона 1 (рис.12.1) еліптичного,

плоскоовального або круглого поперечного перерізу.

Рис. 12.1. Вид трубчастої пружини Бурдона:

а) еліптичного; б) плоскоовального; в) круглого поперечного перерізу

1- трубка; 2 – утримувач

З другого кінця трубка 1 закінчується утримувачем 2 з

різьбою для з’єднання з порожниною, в якій вимірюється тиск.

Якщо в трубку надходить рідина, газ або пар під надлишковим

тиском, то кривизна трубки зменшуватиметься і вона

розпрямлятиметься. При створенні розрідження всередині

трубки кривизна її збільшуватиметься і остання

скручуватиметься.

Під дією тиску всередині трубки еліптична або овальна

площа поперечного перерізу деформуючись, наближатиметься

до кругової, що призведе до розкручування данної трубки і тим

самим до кутового переміщення її вільного кінця на деяку

величину ∆ .

В трубках круглого поперечного перерізу, завдяки

ексцентричному каналу, надлишковий тиск, що діє на заглушку

вільного кінця, створює момент який викликає зменшення її

кривизни. Можна прийняти, що в межах пружності величина

переміщення ∆ є пропорційною вимірювальному тиску p

( ∆ = kp , де k - коефіцієнт пропорційності). При збільшенні

тиску лінійна залежність порушується. Граничний тиск pП^,при

якому ще зберігається лінійна залежність називається межею

пропорційності трубки.

Для запобігання виникненню залишкових деформацій,

найбільший робочий тиск p_maxповинен бути меншим за pП

( p_max< pП^).Відношення

pП^/p_max= kз називається коефіцієнтом

запасу ( kз вибирають в межах 1,35…2,50).

Переміщення ∆ вільного кінця трубки є незначним, тому

при створенні на її основі манометрів, в їх конструкцію вводять

передавальний механізм, що збільшує це переміщення.

Схему манометра з трубчастою пружиною наведено на

рис.12.2.

Рис.12.2. Конструктивна схема манометра з трубчастою пружиною:

1 - ніпель; 2 – утримувач; 3 – корпус; 4 – вісь; 5 – шестерня; 6 – пружина;

7 – трубчаста пружина; 8 – запаяний кінець пружини; 9 – зубчастий сектор;

10 – показчик (стрілка); 11 – тяга

Конструкція і принцип дії трубчастої пружини, яка є

головною складовою манометра, показаного на рис. 12.2,

описано вище. Щодо конструктивної схеми наведеного

манометра, то тут необхідно вказати, що передавальний

механізм, призначений для масштабування відхилення

запаяного кінця 8 трубки, а тим самим і відхилення стрілки 10

відносно шкали, складається з зубчастого сектора 9 і тяги 11.

Даний тип манометрів використовують для вимірювання

тиску до 1000 МПа. При цьому, для вимірювання тиску до 5

МПа застосовуються трубчасті пружини, виготовлені з латуні чи

бронзи. Для вимірювання тиску більше 5 МПа, трубчасті

пружини виготовляють з сталі різного складу, а для тиску до

1000 МПа виготовляють пружини з легованої сталі 50 ХФА.

Манометри з трубчастою пружиною широко застосовуються

як для дистанційного вимірювання тиску, так і у вимірювальних

системах з реєстрацією тиску.

Можлива схема дистанційного вимірювання тиску наведена

на рис.12.3.

Рис. 12.3. Схема дистанційного вимірювання тиску

1 – манометричний трубчастий перетворювач; 2 – зубчаста передача; 3 –

трансформаторний перетворювач із поворотною котушкою; 4 – містковий

випрямляч; V - вольтметр магнітоелектричної системи

Внаслдок підвищення вимірюваного тиску в резервуарі

манометрична трубка розпрямляється, зубчастий сектор

повертатиметься на певний кут за годинниковою стрілкою,

ведена шестерня повертатиметься проти годинникової стрілки; її

рух передасться на рамку трансформаторного перетворювача, в

якій з’явиться вторинна напруга. Ця напруга після випрямлення

вимірюється вольтметром, шкалу якого доцільно проградуювати

в одиницях тиску.

Вимірювальну систему з реєстрацією тиску наведено на

рис.12.4.

Рис. 12.4. Вимірювальна система з реєстрацією тиску

1 – манометричний трубчастий перетворювач; 2, 3 – відповідно

первинний і вторинний диференціальні трансформаторні перетворювачі

(давач і приймач); 4 – підсилювач змінного струму; 5 – сервоелектродвигун;

6 – покажчик та реєструючий пристрій

Коли котушка давача відхиляється від положення,

показаного на рисунку, то на вхід підсилювача надходить

різницева напруга. Сервоелектродвигун починає працювати,

примушуючи котушку приймача зайняти таке положення, в

якому перебуває котушка давача. При цьому вторинна напруга

приймача зрівнюється з вторинною напругою давача, різницева

напруга зникає, електродвигун зупиняється. Кожному значенню

вимірюваного тиску відповідає певне усталене положення

ротора серводвигуна, що фіксує показчик та реєструючий

пристрій.

- Мембраннідеформаційніприладидлявимірюваннятиску

Вимірювальні засоби з чутливими елементами у вигляді

плоских і гофрованих мембран, мембранних коробок і блоків

застосовують для вимірювання невеликих надлишкових тисків і

розріджень (манометри, напірметри та тягометри), а також

перепадів тиску (дифманометри).

Мембрана являє собою тонкий переважно металевий диск,

який жорстко кріпиться по периметру у вимірювальному блоці

(рис. 12.5).

Рис. 12.5. Мембрана та її прогин

При цьому, під дією вимірюваного тиску p₁, за умови, що

p₁> p₂, де p₂ - зовнішній тиск, відбувається прогинання

мембрани на величину h , яке перетворюється, аналогічно

попередньому, у відхилення стрілки відносно шкали

показуючого пристрою.

Мембрани поділяються на «пружні» і «в’ялі». Перші

виготовляють з тонких металевих пластин (сталь, бронза,

латунь). Вони мають суттєву жорсткість. Їх статична

характеристика h = ∆f p , де

∆ =p p₁− p₂є нелінійною.

На практиці використовують плоскі і гофровані пружні

мембрани (рис. 12.6).

Рис. 12.6. Різновиди пружніх мембран

а) плоска; б) гофрована

Наявність гофри лінеаризує статичну характеристику

мембрани.

В’ялі мембрани виготовляють з прорезиненої тонкої тканини

(капрон. шовк). Вони повинні задовільняти двом вимогам –

велика міцність та відсутність власної жорсткості, оскільки

призначаються для перетворення великих перепадів тиску в

силу при незначних переміщеннях (до сотих долей міліметра).

Дані мембрани звичайно оснащуються металевим жорстким

центром. Вони також виготовляються у двох варіантах –

гофрованими і плоскими.

Величина прогину мембрани залежить від величини тиску,

діаметра, товщини, числа і форми гофр та модуля пружності

матеріалу з якого виготовляють мембрану. Тому через

складність розрахунків характеристику мембрани підбирають

дослідним шляхом.

Для збільшення прогину, при вимірюванні малих тисків,

мембрани попарно з’єднуються (наприклад зварюванням) у

мембранні коробки (рис.12.7,а). а самі коробки – у мамбранні

блоки (рис. 12.7,б).

Рис. 12.7. Мембранні чутливі елементи

а) мембранна коробка; б) мембранний блок

Мембранні манометри випускаються в основному

показуючими. Принцип дії приладів полягає у перетворенні

вимірюваного тиску або розрідження у переміщення жорсткого

центру мембранного чутливого елементу яке з допомогою

передаючого механізму перетворюється у відповідне

переміщення показчика відносно шкали.

Максимальний діапазон вимірювань мембранних манометрів

становить 0…2,5 МПа, вакуумметрів – від -0,1 до 0 МПа. Клас

точності приладів 1,5 та 2,5.

Поряд із зазначеним мембранні деформаційні засоби можуть

застосовуватись і в системах автоматичної сигналізації

відхилення тиску від заданої норми (рис. 12.8).

Рис. 12.8. Схема автоматичної сигналізації відхилення тиску від норми

На рисунку показано, що внаслідок підвищення тиску,

мембрана 1 прогинається вгору, важіль 2 замикає контакт SQ2 , і

спалахує сигнальна лампа HL2 . Очевидно, що зниження тиску,

порівняно з нормою примусить засвітитися лампу HL1 .

-Сильфонніманометри

Сильфон – це тонкостінна металева камера з гофрованою

бічною поверхнею (рис. 12.9).

Рис. 12.9. Сильфон

Сильфони виготовляють з латуні або нержавіючої сталі.

Принцип дії його наступний. При дії зовнішнього p₂або

внутрішнього p₁тиску довжина його відповідно зменшується

або збільшується (до десятків міліметрів). Вхідною величиною

сильфона є тиск p₁, p₂або ∆p (

переміщення h .

∆ =p p₁− p₂), а вихідною – його

Суттєвим недоліком сильфонів є значний гістерезис і

помітна нелінійність характеристики. Для зменшення впливу

цих чинників всередині сильфону поміщають гвинтову

циліндричну пружину, жорсткість якої в кілька разів більша за

жорсткість сильфону.

Сильфонні манометри призначені для вимірювання

надлишкового тиску, розрідження і різниці тисків. Їх виконують

показуючими і самопишучими.

Схема самопишучого сильфонного манометра наведена на

рис. 12.10.

Рис. 12.10. Схема самопишучого сильфонного манометра

Вимірювальний тиск через штуцер 11 подається в камеру 10,

де знаходиться сильфон 9. Для збільшення жорсткості сильфону

в його середині закріплена гвинтова циліндрична пружина 8.

Під дією тиску p сильфон деформується, в результаті чого його

дно переміщує вгору шток 7, що жорстко зв’язаний з важелем 6.

Останній через систему важелів 5. 4, 3 повертає вісь 12 і

закріплений на ній П-подібний важіль 2 до якого прикріплено

стрілку з пером. Записується вимірюваний тиск на дисковій

діаграмі, привод якої здійснюється з допомогою синхронного

двигуна або годинникового механізму.

Верхня межа вимірювань сильфонних приладів становить

0,025…0,400 МПа.

Класи точності зазначених манометрів надлишкового тиску,

вакуумметрів та мановакуумметрів: 1,5; 2,5.

В наш час широкого застосування набули деформаційні

вимірювальні прилади тиску на основі вимірювальних

перетворювачів з прямим перетворенням. Для перетворення

переміщення деформаційного чутливого елементу в сигнал

вимірювальної інформації, використовують індуктивні,

диференційно-трансформаторні, ємнісні, тензорезисторні та

інші перетворювачі неелектричних величин у електричні.

Перетворення сили, що розвиває чутливий елемент в

електричний сигнал вимірюваної інформації реалізується

п’єзоелектричними перетворювачами.

Зазначене буде розглянуто в лекції № 13.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Тема 11. Вимірювання тиску	\|	Тема 13. Електричні манометри та вакуумметри

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.046 сек.