• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

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

ПРУЖИННІ ПРИЛАДИ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ТИСКУ

Пружинні манометри, вакуумметри, мановакуумметри, тягоміри, напороміри, диференціальні манометри і барометри складають широку групу приладів для технічних вимірювань [47].

Межі вимірювання, класи точності, допустима температурна похибка і деякі інші параметри для окремих видів приладів встановлюються стандартами. Процес вимірювання тиску для деформаційних манометрів зводиться до вимірювання переміщення або зусилля, яке розвиває пружний чутливий елемент під дією тиску, який він сприймає, або різниці тисків.

Дія пружинних приладів заснована на вимірюванні величини деформації різного виду пружних елементів. Деформація пружного чутливого елементу перетворюється передавальними механізмами того або іншого вигляду в кутове або лінійне переміщення покажчика за шкалою приладу [35].

За видом пружного чутливого елементу пружинні прилади діляться на наступні групи:

1) прилади з трубчастою пружиною або власне пружинні (рис.2.11, а і б);

2) мембранні прилади, у яких пружним елементом служить мембрана (рис.2.11, в), анероїдна або мембранна коробка (рис.2.11, г і д), блок анероїдних або мембранних коробок (рис.2.11, е і ж);

3) пружинно-мембранні з гнучкою мембраною (рис.2.11, з);

4) прилади з пружною мембраною (сильфоном) (рис.2.11, к);

5) пружинно-сильфонні (рис.2.11, і)

Рис.2.11 - Типи пружинних чутливих елементів

Найширше застосовуються прилади (манометри, вакуумметри, мановакуумметри і дифманометри) з одновитковою трубчастою пружиною. Вперше явище розкручування некруглих трубок під дією тиску виявив у 1846 році французький механік Є. Бурдон, і тому одновиткові трубчасті чутливі елементи часто називають пружинами Бурдона.

Основна деталь приладу з одновитковою трубчастою пружиною - зігнута по дузі кола трубка еліптичного або плоскоовального перерізу (рис.2.12). Одним кінцем трубка закладена в тримач, що закінчується ніпелем з різьбою для приєднання до порожнини, в якій вимірюється тиск. Всередині тримача є канал, що з'єднується з внутрішньою порожниною трубки.

Якщо в трубку подати рідину, газ або пару під надлишковим тиском, то кривизна трубки зменшиться і вона розпрямляється; при створенні розрідження усередині трубки кривизна її зростає і трубка скручується.

Оскільки один кінець трубки закріплений, то при зміні кривизни трубки її вільний кінець переміщається по траєкторії, близькій до прямої, і при цьому діє на передавальний механізм, який повертає стрілку приладу.

а – схема трубчастої пружини (1 – трубка; 2 – тримач); б – еліптичний поперечний переріз; в – плоскоовальний поперечний переріз.

Рисунок 2.12 – Прилади з одновитковою трубчастою пружиною

Властивість зігнутої трубки такого перерізу змінювати величину згину при зміні тиску в її порожнині є наслідком зміни форми перерізу. Під дією тиску всередині трубки еліптичний або плоскоовальний переріз, деформуючись, наближається до круглого перерізу (мала вісь еліпса або овалу збільшується, а велика зменшується).

Розглянемо трубку, зігнуту по дузі кола так, що велика вісь перерізу паралельна до осі кільця. Зробимо два припущення:

1) при надлишковому тиску всередині трубки мала вісь перерізу збільшується;

2) при деформації довжина трубки залишається постійною, тобто дуги АВ і А'В' зберігають первинну довжину.

Перше припущення – це констатація дійсного явища, підтвердженого досвідом, тому воно не викликає сумнівів. Друге припущення можна застосовувати без відчутної похибки, оскільки на практиці розкручування трубки дуже мале, а отже, зміна довжини трубки є величиною, яка суттєво не впливає на розрахунки. Позначимо ОА = R;ОА' = r; ÐАОВ = g. Ці ж величини після деформації позначимо R', r', g'. Тоді згідно другому допущенню R_g=R’g’ і rg=r’g’.

Віднімаючи від першої рівності другу, одержимо (R - r)g = (R' - r')g. Але оскільки R - r і R' - r' є малі осі еліпса до і після деформації, то згідно першому допущенню R' - r'>R - r. Позначивши малі осі відповідно через b і b', обрахуємо by = b'g'; але b < b', а отже, g > g', під дією тиску кут згину трубки зменшується і трубка розгинається.

Якщо прийняти, що b' = b + х і g' = g — b, то одержимо bg = (b + x)(g-b).

Розв’язуючи це рівняння відносно b, одержимо

. (2.60)

Величина х значно менша в порівнянні з b, тому без помітної похибки можна прийняти, що

. (2.61)

З рівняння (2.60) видно, що зміна кута згину трубки прямо пропорційна збільшенню малої осі і первинному куту згину і обернено пропорційна до величини малої осі еліпса. Цей висновок підтверджується практикою, оскільки насправді трубка тим чутливіша, чим менша мала вісь перерізу і чим більший початковий кут згину трубки.

При розрідженні всередині трубки мала вісь зменшуватиметься, тобто х буде від’ємною величиною, а отже, кут g΄ в рівнянні (2.61) також стане від’ємним. Підставляючи його у вираз g΄=g - b, одержимо

. (2.62)

Таким чином, при створенні в середині трубки розріджень новий кут буде більший ніж попередній, отже, трубка скручується.

Проте ці міркування встановлюють лише якісну сторону явища і не можуть служити підставою для розрахунку, оскільки величина х є функцією форми, розмірів трубки і властивостей матеріалу і залишається невідомою.

Величина переміщення вільного кінця трубки до певної межі пропорційна тиску D = kp. При подальшому підвищенні тиску лінійна залежність порушується - деформація починає рости швидше за збільшення тиску. Граничний тиск, при якому ще зберігається лінійна залежність між переміщенням кінця трубки і тиском, називається межею пропорційностітрубки [35].

Межа пропорційності є важливою характеристикою трубки. Під час переходу тиску за межу пропорційності трубка набуває залишкової деформації і стає непридатною для вимірювання. Щоб не допустити виникнення залишкової деформації, найбільший робочий тиск р_max (розрідження або різниця тиску) призначається нижче за межу пропорційності р_п.

Відношення

, (2.63)

де k – це різні чи однакові величини, називається коефіцієнтом запасу. У всіх випадках коефіцієнт k повинен бути більше одиниці. Для забезпечення найбільшої довговічності трубки і зменшення впливу пружної післядії приймають к = 1,5 ¸ 2,5. Крім того, для збільшення надійності звичайно вибирають манометри так, щоб найбільший вимірюваний тиск не перевищував 0,65—0,75 верхньої межі вимірювання за шкалою.

Механічна характеристика трубки, тобто значення межі пропорційності і величина переміщення вільного кінця, залежить від ряду чинників, з яких найважливішими є відношення осей перерізу трубки, товщина її стінок, модуль пружності матеріалу і радіус дуги згину трубки.

Збільшення відношення осей за інших рівних умов підвищує чутливість і знижує межу пропорційності. Зазвичай співвідношення осей для трубок, розрахованих на малий і середній тиск, буває в межах 1,5¸4,5. Підвищення товщини стінок різко підвищує межу пропорційності.

Рисунок 2.13 – Поперечний переріз трубчастої пружини високого тиску.

У манометрах високого тиску (понад 98 МН/м²) застосовують товстостінні з легованої сталі трубчасті пружини круглого поперечного перерізу з каналом, вісь якого зміщена щодо осі пружини у бік центру кривизни останньої (рис.2.13). Завдяки ексцентричному каналу надлишковий тиск на заглушку вільного кінця трубки створює момент, що викликає зменшення кривизни трубки і переміщення її вільного кінця.

Манометри з трубчастою пружиною, показаною на рис.2.13 виготовляються на тиск до 1600 МН/м².

Переміщення вільного кінця трубки під дією тиску вельми невелике. Тому для збільшення точності показів приладу вводять передавальний механізм, що збільшує масштаб переміщень кінця трубки.

Як правило, звичайно застосовуються зубчато-секторні передавальні механізми.

Конструкція вакуумметра і мановакуумметра з одновитковою трубчастою пружиною нічим не відрізняється від конструкції манометра.

Робочі прилади з круговою шкалою виготовляються показуючими без додаткових пристроїв, а також з контактним пристроєм, електричними або пневматичними перетворювачами для телепередачі.

Показуючі прилади застосовуються найчастіше як місцеві прилади. Електроконтактні манометри застосовуються для сигналізації про досягнення мінімального або максимального робочого тиску або для двохпозиційного регулювання. Електроконтактний манометр за принципом дії аналогічний показуючому манометру з одновитковою трубчастою пружиною. Для сигналізації служить контактний механізм, електрична схема якого аналогічна тій, яка застосовується в манометричних термометрах. Контактний манометр може працювати тільки при плавній (без пульсацій) зміні тиску. Еліптична та плоскоовальна форма одновиткової трубчастої пружини забезпечує необхідний запас міцності тільки під час вимірювання надлишкового тиску до 160 МПа. Для вимірювання надвисоких тисків у діапазоні (160…1000) МПа застосовують одновиткові пружні чутливі елементи, запропоновані А.Г.Нагаткіним [35].

Переміщення вільного кінця таких трубчастих елементів виникає не від деформації поперечного перетину, а внаслідок різниці внутрішніх напружень у товстій та тонкій стінках вертикального перетину трубки, що приводить до виникнення згинаючого моменту.

Остання обставина дозволяє у деяких ЗВТ використовувати не зігнуті, а прямолінійні трубчасті пружини з ексцентричним каналом. Підвищення тиску у таких трубках призводить до відхилення вільного кінця пружини від прямолінійного стану.

Спроба використати трубчасті чутливі елементи для записування показів та незначне переміщення вільного кінця одновиткових трубчастих елементів (недостатнє для переміщення пера реєстратора) призвели до створення гвинтових багатовиткових трубчастих (гелікоїдальних) елементів. У багатовиткових трубчастих елементах початковий кут закручування g=360n, де n – число витків трубки (звичайно n = 4…8), а приріст кута розкручування досягає 45°.

У більшості випадків у трубчастих манометрах використовують одновитковий чутливий елемент. У манометрах надлишкового тиску з одновитковою трубчастою пружиною переміщення вільного кінця чутливого елемента передається до стрілки ЗВТ за допомогою передавального механізму секторного і важільного типів (рис.2.14).

Рисунок 2.14 – Будова передавального механізму секторного і важільного типу у манометрах надлишкового тиску

Один кінець трубчастого елемента 1 закріплений у тримачі 2, який закріплений на корпусі ЗВТ. Тримач має шестигранну голівку та штуцер з різьбою для сполучення середовища з вимірюваним тиском. Вільний кінець пружини 1 нерухомо з’єднаний пробкою з сережкою і за допомогою поводка 3 з’єднаний з передавальним механізмом. У секторних передавальних механізмах (рис.2.14, а) поводок 3 під час розкручування трубчатої пружини повертає зубчастий сектор 4 і шестерню (трубку) 5, яка знаходиться у зачепленні з ним. На осі шестерні 5 міцно закріплена стрілка 6. У важільних передавальних механізмах (рис.2.14, б) для повороту стрілки 6 служить жорстко закріплений до неї дугоподібний важіль 8.

Вакуумметри з одновитковою трубчастою пружиною своєю будовою аналогічні до манометрів надлишкового тиску. Трубчастий чутливий елемент під час сполучення його з середовищем, яке знаходиться під вакуумом, скручується, тобто приріст початкового кута закручування протилежний за знаком відповідному приросту у манометрів надлишкового тиску. Тому стрілка шкали вакуумметра під час збільшення вакууму повертається проти ходу годинникової стрілки. Для того, щоб зберегти звичайне обертання стрілки за годинниковою стрілкою, у більшості випадків трубчастий чутливий елемент встановлюють з правого боку від тримача, а не з лівого, як у манометрах надлишкового тиску.

Мановакуумметри з одновитковим трубчастим елементом за будовою аналогічні до манометрів надлишкового тиску і відрізняються тільки двосторонньою шкалою. Частина шкали, яка розташована зліва від нуля, служить для відліку значення вакууму, а частина шкали, що розташована з правого боку від нуля – для вимірювання надлишкового тиску.

Штуцери ЗВТ для підведення вимірюваного тиску мають різьбу: у манометрів з круглим корпусом діаметром 40мм і квадратним зі стороною 40мм – М10´1 або М12´1,5; у манометрів з круглим корпусом діаметром 60мм і квадратним зі стороною 60мм – М12´1,5; у інших манометрів – М20´1,5.

Робочі манометри в залежності від призначення поділяють на лабораторні та технічні. Виготовляють лабораторні манометри класів точності 0,4 і 0,6; технічні – класів точності 1; 1,5; 2,5 і 4. Манометри у корпусі діаметром 25мм призначені для роботи у якості індикаторів тиску. Границі допустимої основної похибки чисельно дорівнюють класу точності і записують: для манометрів і вакуумметрів – у процентах від верхньої границі вимірювань; для мановакуумметрів – у процентах від суми верхньої та нижньої границь вимірювання.

Під час вимірювання температури навколишнього середовища за межами (20 ± 2) °С у ЗВТ класу 0,4 і 0,6; (20 ± 3) °С у ЗВТ класу 1 і (20 ± 5)°С у ЗВТ класів 1,5; 2,5 та 4 виникають додаткові похибки.

Додаткова похибка манометра при зміні температури навколишнього середовища не повинна перевищувати значення (в процентах)

, (2.64)

де t₂ – будь-яке значення температури, які вказані вище, для заданого класу точності, (°С);

t₁ – будь-яке значення температури, яке встановлюють для експлуатації даного ЗВТ, (°С).

Крім шкали з числами відліку на циферблаті показуючих робочих манометрів, наносять такі позначення: одиниця вимірювання; клас точності; умовне позначення вакуумметрич-ного тиску знаком “-“ (мінус) попереду числа, що позначає границю вимірювання, найменування і позначення середовища для ЗВТ спеціального виконання (наприклад, “Кисень” та “Маслонебезпечно” для кисневих манометрів).

Якщо манометр призначений тільки для вимірювання тиску рідинного середовища, на циферблаті (або на корпусі) наносять напис “Для рідин” або індекс “Р” (“Ж”). У манометрів, призначених тільки для вимірювання тиску газоподібних середовищ, наносять індекс “Г”. Якщо перехід від рідинного середовища на газоподібне та навпаки не виводить з позначеного класу точності, позначення стану середовища на циферблаті (корпусі) не наносять. Манометри, які призначені для вимірювання тиску спеціальних газових середовищ, повинні відрізнятися від звичайних манометрів, оскільки застосування звичайних манометрів у цих випадках не допускається через високу агресивність або інші властивості вимірюваного середовища. Такою відмінністю є колір корпусу манометра. В залежності від виду газу, корпуси манометрів фарбують у такі кольори: кисень – блакитний; аміак – жовтий; водень – темно-зелений; ацетон – білий; хлор та фосген – сірувато-зелений; інші горючі гази – червоний; інші негорючі гази – чорний.

Промисловість країн СНД випускає велику номенклатуру манометрів з одновитковим чутливим елементом які широко використовуються в країні.

Московський завод “Манометр” випускає лабораторні манометри надлишкового тиску типу МТИ з верхньою границею вимірювання від 0,06 МПа до 160 МПа, мановакуумметри типу МТИ з границями вимірювань від (–0,1…0…0,05)МПа до (–0,1…0…2,4) МПа та вакуумметри типу ВТИ з верхніми границями –0,06 МПа та –0,1 МПа.

У манометрів надвисокого тиску типу СВ застосований одновитковий трубчастий елемент з ексцентричним каналом. Манометри типу СВ завод “Манометр” випускає з верхньою границею вимірювання 250, 400, 600 та 1000 МПа, класом точності 1 в корпусі діаметром 260 мм.

Існують декілька різновидів технічних манометрів з трубчастим чутливим елементом, які відрізняються наявністю додаткових пристроїв, що мають спеціальне призначення. До них відносять манометри з контрольною стрілкою, манометри зі скиданням показів, електроконтактні та самопишучі манометри.

Показуючі технічні манометри з одновитковим трубчастим елементом при необхідності можуть мати додатковий електроконтактний пристрій для автоматичного подання сигналу до електричного кола технологічної сигналізації або керування, коли досягнуте граничне (максимальне або мінімальне) значення вимірюваного тиску.

Принципова схема та зовнішній вигляд найбільш розповсюдженого електроконтактного манометра типу ЕКМ зображені на рис.2.15,а. Вказівна стрілка 4 манометра секторним передавальним механізмом пов’язана з вільним кінцем одновиткового чутливого елемента. Сигнальні стрілки 1 і 2, які встановлюють за допомогою ключа, визначають задані будь-які значення максимального та мінімального встановлення спрацьовування контактів. Коробка 5 служить для приєднання до ЗВТ ланок живлення та сигналізації.

Рисунок 2.15 – Принципова схема та зовнішній вигляд електроконтактного манометра типу ЕКМ

Промисловість випускає електроконтактні манометри надлишкового тиску типу ЕКМ-1У та ЕКМ-2У (з верхньою границею вимірювання до 10 МПа та 160 МПа відповідно), електроконтактні мановакуумметри типу ЕКМВ та вакуумметри типу ЕКВ. Усі електроконтактні манометри виконані в корпусі діаметром 160 мм із заднім розташуванням фланця та радіальним з’єднувальним штуцером. Клас точності ЗВТ 1,5 та 2,5. Похибка вмикання контактів сигналізуючого пристрою становить ± 2,5% від абсолютного значення границь вимірювання [35].

Клас точності вимірювальної частини манометрів 1.

У еклектроконтактних манометрах поверх циферблату (рис.2.16) на спеціальній стійці 6 міститься контактний пристрій. Контактний пристрій складається з трьох контактних важелів 2,3 і 10; виводи від них 12 (а, б і в) приєднуються до затискачів. Манометр оснащений двома контрольними стрілками 8 і 9; положення контрольних стрілок визначає максимальне і мінімальне значення тиску. Переміщаються контрольні стрілки вручну за допомогою штифтів 11 спеціальним важелем. Після того, як прилад за допомогою штуцера 1 приєднаний до джерела тиску, трубчата пружина манометра розкручується; через передавальний механізм рух передається вказівній стрілці 4 манометра, що оснащена ізоляційним штифтом 5 (такі ж штифти є у контрольних стрілок 8 і 9). В міру збільшення тиску вказівна стрілка переміщається по шкалі і разом з нею від штифта 5 переміщається контактний важіль 3. Важіль 2 притискається до важеля 3 пружиною 7. Завдяки цьому струм проходить через контактні важелі по колі проводів 12а і 12б. При подальшому підвищенні тиску і пересуванні вказівної стрілки контактні важелі доходять до контрольної стрілки 8; ізоляційний штифт стрілки 8 перешкоджає подальшому повороту важеля 2, і контакт у цьому місці розмикається. У межах тиску між положеннями стрілок 8 і 9 коло сигналізації відключене. Коли вказівна стрілка 4 разом з контактним важелем 3 досягнуть положення контрольної стрілки 9, замикаються контакти важелів 3 і 10; при цьому замикається коло проводів 12б і 12в; у це коло може бути включений сигнал «максимум». При збільшенні тиску більше значення, яке фіксує контрольна стрілка 9, контакти 3 і 10 залишаються включеними.

Отже, при переході стрілки за задане значення контакт залишається замкнутим як при досягненні максимального значення тиску, так і при переході стрілки за мінімальне значення. В інтервалі між цими значеннями сигнальне коло розімкнуте. Контакти ЕКМ розраховані на струм потужністю до 10 при максимальній силі струму до 1. Живлення контактного пристрою здійснюється від мережі змінної напруги до 380 В і постійної 220 В.

Рисунок 2.16 – Електроконтактний манометр

ЕКМ випускаються з верхніми границями вимірювань: манометри до 1600 кГ/см²(1570 бар), мановакуумметри – по манометричній шкалі тисків до 25 кГ/см²(25,5 бар), а по вакуумметричній шкалі – 760мм рт. ст. (1,013 бар).

Манометри з багатовитковою трубчатою пружиною мають як чутливий елемент трубчату пружину на 6—9 витків діаметром близько 30 мм. Переміщення вільного кінця пружини значно більше (до 15мм), ніж в одновиткової пружини; набагато більшим є тут і стискальне зусилля. У зв'язку з цим прилади з багатовитковою трубчатою пружиною мають значно більшу чутливість

Під час вибору верхньої границі вимірювання треба, щоб середнє значення вимірюваного (робочого) тиску знаходилося у верхній частині шкали для зниження відносної похибки вимірювання. Робоча границя вимірювання надлишкового тиску повинна бути не меншою 3/4 верхньої границі шкали вимірювань постійного тиску і не меншою 2/3 верхньої границі за умов змінного тиску вимірюваного середовища.

Покази деформаційних манометрів залежать від температури чутливого елемента, тому встановлення манометрів слід виконувати так, щоб уникнути можливості впливу вимірюваного середовища з високою температурою. Температура навколишнього повітря, в якому знаходиться манометр, не повинна перевищувати 40°С. Тому, як за звичай, між місцем відбору імпульсу та ЗВТ розташовують з’єднувальну трубку з міді або сталі без теплової ізоляції, з тим, щоб температура трубки та середовища у ній практично дорівнювала температурі навколишнього середовища.

При вимірюванні тиску водяної пари (рис.2.17) з’єднувальну трубку між паропроводом 1 і манометром 4 згинають таким чином, щоб вона створила кільцевий або U-подібний сифон 2, у якому накопичується конденсат, який поступово охолоджується до температури навколишнього середовища, і який створює гідравлічний затвор.

Рисунок 2.17 – Вимірювання тиску водяної пари

На кінці з’єднувальної трубки перед манометром звичайно передбачений трьохходовий вентиль (або пробковий кран при значеннях тиску до 2,5 МПа), який призначається для відключення манометра, перевірки нуля шляхом з’єднання з атмосферним тиском, продування з’єднувальної лінії. Іноді роль трьохходового вентиля виконують два звичайних вентилі 3 (рис.2.17), один з яких 5 служить для відключення манометра, а інший 6 – для сполучення його з атмосферою та продування з’єднувальної лінії. Для обмеження запізнювання показів, довжина з’єднувальної лінії не повинна перевищувати 50м. З’єднувальні лінії мають діаметр 6…10 мм в залежності від довжини, їх прокладають так, щоб виключити створення повітряних бульбашок у лініях, заповнених рідиною, або конденсату у лініях, заповнених газом. Для цього з’єднувальні лінії прокладають з нахилом до манометра, який розташований вище місця відбору імпульсу під час вимірювання тиску газу, і нижче – під час вимірювання тиску рідини та пари [35].

Під час вимірювання тиску агресивних середовищ для захисту порожнини чутливого елементу від попадання до неї вимірюваного середовища безпосередньо біля місця відбору імпульсу встановлюють розділювальні посудини або розділювальні мембрани. На рис.2.18 наведено мембранний розділювач. Нижній патрубок розділювача сполучений з вимірюваним середовищем, а верхній – з манометром. Вимірюваний тиск діє на затиснуту між фланцями металеву мембрану з нержавіючої сталі та за допомогою мембрани передається до поліетиленлоксанової рідини марки ПЕС-2 (ПЭС-2), яка заповнюєнадмембранний простір і порожнину чутливого елемента манометра. Манометри, які відградуйовані в комплекті з мембранними розділювачами, виготовляють класів точності 1,5; 2,5 та 4.

Рисунок 2.18 –Мембранний розділювач

Прилади для вимірювання малих тисків, розріджень та різниці тисків часто оснащуються мембранними та сильфонними пружними елементами. Мембрана представляє собою гнучку, закріплену по периметру перегородку, що замикає простір, в якому газ або рідина знаходяться під дією вимірюваного тиску. Таким чином, з одного боку мембрани діє вимірювальний тиск, а з другого - атмосферний. Лінійні переміщення центра мембрани під дією різниці цих тисків є мірою вимірюваного надлишкового тиску. Розрізняють плоскі, опуклі мембрани, мембрани жорсткі та в’ялі (неметалеві). У залежності від вимірюваного тиску застосовують різноманітні матеріали та форми мембран.

Максимальна деформація пружного елемента цього роду, обмежена межею пропорційності, виявляється значно меншою, ніж у трубчастих пружин. Застосування металевих мембран пов’язано з необхідністю мати передавальні пристрої з більшим коефіцієнтом передачі, ніж у випадку трубчастих пружин. Для збільшення граничного навантаження, зменшення нелінійності характеристики і для полегшення надійного закріплення по краях металічну мембрану оснащують кількома кільцевими концентричними складками (гофрами).

Опуклі металеві мембрани являють собою металеві пластини куполоподібної форми (рис.2.19). Характерною особливістю таких мембран є втрата стійкості (сталості) та перекидання з одного положення в інше під час досягнення деякого значення надлишкового тиску. Статичну характеристику опуклих мембран в якості чутливих елементів використовують не у вимірювальних перетворювачах, а в сигналізаторах досягнення заданого значення тиску, де після перекидання мембрана замикає або розмикає електричні контакти релейного пристрою [47].

Жорсткі гофровані мембрани виготовляють з плоских мембран шляхом витискування на них кільцевих гофрів синусоїдальної, трапецевидної та трикутної форми (рис.2.19). Гофрування плоскої мембрани призводить до вирівнювання її статичної характеристики (рис.2.20), а збільшення глибини гофру.

Рисунок 2.19 – Опуклі металеві мембрани

Рисунок 2.20 – Жорсткі гофровані мембрани

Н – до зростання жорсткості мембрани. Коли треба значно знизити жорсткість чутливого елемента, застосовують з’єднання кількох мембран у мембранні коробки, що виготовлені двома припаяними одна до одної гофрованими мембранами та мембранні блоки з двох або кількох мембранних коробок. Мембранні коробки та блоки застосовують у якості чутливих елементів тягомірів, напоромірів, дифманометрів та інших ЗВТ. В’ялі (м’які) мембрани виготовляють з просоченої бензо- та мастилостійкої гумової тканини (капрон, шовк). Застосовують також мембрани з гуми та пластмас (тефлон). Застосування в’ялих мембран обумовлене бажанням отримати мінімальну жорсткість, маючи невелику ефективну площу, що важко досягти у мембранах з пружних матеріалів.

Для забезпечення постійності ефективної площі під час зміни тиску та прогинання в’ялі мембрани виконують з жорстким центром та гофрованою кільцевою частиною (рис. 2.21, а). Жорсткість в’ялих мембран незначна, і тому звичайно жорсткий центр в’ялої мембрани поєднують з пружним елементом у вигляді гвинтової пружини (рис.2.21, б).

Слід відзначити, що у цьому випадку в’яла мембрана виконує тільки функцію поділу порожнини вимірюваного тиску від вимірювального механізму, а значення тиску визначається за деформацією пружного елемента, у той час як у трубчастих пружинах і металевих мембранах ці функції об’єднані.

Рисунок 2.21– Мембрана з жорстким центром та гофрованою кільцевою частиною

Сильфони – поперечно гофровані тонкостінні трубки з пружного матеріалу. Різниця зовнішнього і внутрішнього тисків створює зусилля, що діє на дно сильфону вздовж його осі. Ефективна площа сильфону практично не змінюється під час зміни тиску, статична характеристика лінійна у відносно малому діапазоні переміщень. Тому сильфони використовують, коли є невеликі переміщення дна і часто для перетворення тиску в зусилля, яке вимірюють за допомогою наступного перетворювача.

Сильфони виготовляють витискуванням з суцільної заготовки або зварюванням з окремих мембран. Для збільшення жорсткості сильфони обладнують внутрішньою гвинтовою пружиною.

Запас міцності сильфонів під час дії тиску зовні у 1,5…2,0 рази вищий, ніж під час дії тиску зсередини. Тому під час вимірювання підвищеного тиску сильфон закривають зовнішнім металевим кожухом, який сполучений з середовищем вимірюваного тиску (рис.2.22).

Сильфони застосовують в якості чутливих елементів у напоромірах та тягомірах, манометрах абсолютного тиску, манометрах надлишкового тиску та вакуумметрах.

Рисунок 2.22 – Різновиди сильфонів

При розрахунку параметрів пружних чутливих елементів використовуються формули, що подані в табл.2.3.

Однією з основних характеристик пружного чутливого елементу є його статична характеристика – залежність переміщення вільного кінця чутливого елементу l від розміру тиску P (або різниці тисків ΔP), що спричинило це переміщення.

Таблиця 2.3 – Основні розрахункові формули для параметрів пружних елементів

Параметр	Формула
Жорсткість сильфона	, де Е – модуль пружності матеріалу; δ – усереднена товщина стінок; n – кількість гофр; D – зовнішній діаметр; А – коефіцієнт, що залежить від параметру відносної глибини гофра
Осьова сила, яку створює сильфон	, де – тиски, які діють на зовнішню і внутрішню поверхні сильфона; – ефективна площа
Ефективна площа сильфона	, де d – внутрішній діаметр
Деформація сильфона
Допустимий прогин мембрани	, де – допустиме напруження на розтяг матеріалу; R – радіус мембрани; δ – товщина мембрани
Ефективна площа мембрани	, де D – діаметр мембрани; d – діаметр жорсткого центру
Ефективна площа в’ялої мембрани	, де R – радіус мембрани; r – радіус жорсткого центру
Допустимий тиск мембрани

Порівняння робочих властивостей різних чутливих елементів виконують за допомогою кількісної характеристики – чутливості. Чутливість пружного елементу К_p – це величина переміщення вільного кінця тиску на одиницю довжини

. (2.65)

Іноді властивості пружного елементу характеризують оберненою до чутливості величиною – жорсткістю С, яка є відношенням тиску до відповідного переміщення:

, (2.66)

де К_p – чутливість (м/Па),

С – жорсткість (Па/м).

Розмір вимірюваного тиску приводять до розміру сили F, яка розвивається на вільному кінці елементу на ефективній площі пружного елемента

. (2.67)

При лінійній статичній характеристиці переміщення вільного кінця пружного елемента прямо пропорційне до тиску, і чутливість має постійне значення на всьому діапазоні зміни вхідного сигналу (К_р=const).

Звичайно під час конструювання чутливих елементів намагаються отримати лінійну статичну характеристику, завдяки чому шкала манометра стає рівномірною.

Від недосконалості пружних властивостей матеріалу чутливого елемента виникає явище пружної післядії. Воно полягає у тому, що під час підвищення тиску на чутливому елементі (прямий хід) і подальшому зниженні тиску (зворотний хід) вільний кінець елемента повертається до початкового положення не відразу, а через деякий час. Статична характеристика чутливого елемента під час прямого та зворотного ходу неоднозначна і створює так звану петлю гістерезису. Пружна післядія є одним з основних недоліків деформаційних манометрів, яка викликає непостійність їх показів і у значній мірі характеризує клас точності манометра.

Для будь-якого пружного чутливого елемента, навіть такого, що має лінійну статичну характеристику, пряма пропорційність між переміщенням вільного кінця та тиском зберігається тільки до визначеного граничного значення тиску, вище якого статична характеристика стає нелінійною (рис.2.23). Це значення тиску називають границею пропорційності. Після перевищення границі пропорційності та наступного за цим зниження тиску до нуля вільний кінець трубки не повертається до початкового положення, тобто спостерігають залишкову деформацію пружного елементу.

Поява залишкової деформації у вигляді початкового зсуву стрілки шкали ЗВТ свідчить про вихід з ладу манометра та неможливість його подальшого використання.

Для усунення явища залишкової деформації вводять деякий запас міцності, який характеризується коефіцієнтом запасу міцності

, (2.68)

де P_max – верхня границя діапазону вимірювання манометра;

p_пр – границя пропорційності пружного елементу.

Рисунок 2.23 – Петля гістерезісу при деформації пружного чутливого елементу

Необхідне значення коефіцієнта запасу визначають вимогами надійності пружного чутливого елемента, умовами його роботи і т. ін. За звичай значення К_зап знаходиться у межах 2,0…2,5.

Загальним недоліком різноманітних пружних чутливих елементів є мале (до 5мм) переміщення вільного кінця чутливого елемента, що обумовлює необхідність застосування різних підсилювальних пристроїв для наступного значного переміщення стрілки шкали ЗВТ.

Деформаційні манометри з мембранними та сильфонними чутливими елементами застосовують як робочі ЗВТ для вимірювання невеликого надлишкового та вакуумметричного тисків [46].

В якості чутливого елемента у мембранних манометрах використовують мембранну коробку з двох гофрованих мембран. На рис.2.24 як приклад наведена схема будови показуючого мембранного тягоміра. В корпусі ЗВТ жорстко закріплений штуцер 1, у який здійснюється підведення вимірюваного розрідження. Зміна розрідження призводить до переміщення жорсткого центру мембранної коробки 2, який з’єднаний з приводом 5, який у свою чергу пов’язаний плоскою пружиною 7 з фігурним важелем 8. Повертання фігурного важеля 8 відносно осі, закріпленої на пружинній вилці, призводить за допомогою тяги 10 і важеля 11 до відповідного переміщення вказівної стрілки 6 відносно нерухомої шкали 3. Для усунення люфтів у важільному передаючому механізмі служить спіральна пружина 12, один кінець якої закріплений на осі стрілки, а інший – на нерухомій частині ЗВТ.

Рисунок 2.24 – Будова показуючого мембранного тягоміра

Максимальне переміщення верхнього центра мембранної коробки становить 4 мм, а відповідний кут повороту вказівної стрілки – 70°.

Налаштування ЗВТ на необхідну границю вимірювання виконують зміною передавального відношення механізму, який пов’язує верхній кінець мембранної коробки з вказівною стрілкою. Грубе налаштування виконують перестановкою кінця тяги 10 в один з отворів важеля 11. Кінцеве точне налаштування досягають обертанням гвинта 9, який спираючись своїм кінцем у плоску пружину 7, згинає її та змінює тим самим відстань між віссю фігурного важеля 8 і кінцем плоскої пружини 7. Для встановлення стрілки на нульову позначку служить коректор 4, завдяки обертання його гвинта згинається пружна вилка та змінюється початкове положення осі фігурного важеля, що приводить до переміщення стрілки ЗВТ.

Статична характеристика мембранної коробки нелінійна, і її лінеаризація, тобто отримання рівномірної шкали, створюється зміною початкового кута між стрілкою 6 і важелем 11.

Аналогічну будову мають мембранні показуючі напороміри та тягонапороміри. У мембранних показуючих дифманометрах, які використовують в якості тягомірів, напоромірів і тягонапоромірів, мембранна коробка знаходиться під дією вимірюваної різниці тисків, а принципова схема цих ЗВТ аналогічна раніше розглянутій.

У сильфонних деформаційних манометрах в якості чутливого елементу застосований сильфон. Дещо більше, у порівнянні з мембранними елементами, переміщення дна сильфону дозволяє використовувати це переміщення не тільки для повороту вказівної стрілки, але і для приводу пера реєстратора.

У відповідності до діючих стандартів, деформаційні мембранні манометри можуть випускати у вигляді показуючих мембранних тягомірів, напоромірів та тягонапоромірів класу точності 2,5 з верхньою границею від 0,16 кПа до 40 кПа (для тягонапоромірів від ± 0,8 кПа до ± 20 кПа) і класу точності 1,5 з верхньою границею від 1 кПа до 40 кПа (для тягонапоромірів від ± 0,5 кПа до ± 20 кПа).

Ті ж самі класи точності та границі вимірювань мають місце для показуючих мембранних дифманометрів – тягомірів, напоромірів та тягонапоромірів.

Деформаційні манометри з сильфонним чутливим елементом можуть бути виготовлені у вигляді сильфонних тягомірів, напоромірів та тягонапоромірів, а також у вигляді сильфонних манометрів надлишкового тиску, вакуумметрів і мановакуумметрів.

Показуючі та самопишучі сильфонні тягоміри, напороміри та тягонапороміри можуть бути виготовлені класу точності 2,5 з верхньою границею від 0,25 кПа до 0,6 кПа (для тягонапоромірів від ± 0,125 кПа до ± 0,3 кПа), класу точності 1,5 з верхньою границею від 1 кПа до 40 кПа (для тягонапоромірів від ± 0,5 кПа до ± 20 кПа) і класу точності 1 з верхньою границею від 6 кПа до 40 кПа (для тягонапоромірів від ± 3 кПа до ± 20 кПа).

Мембранні коробки та сильфони знайшли також застосування у деяких засобах вимірювання тиску спеціального призначення.

На рис.2.25 наведена принципова схема мембранного барометра, який застосовують для вимірювання атмосферного тиску.

Чутливим елементом пружинного барометра є мембранна коробка 1 з двох гофрованих мембран, які зварені між собою. Із внутрішнього простору герметично виконаної мембранної коробки викачане повітря. Зміна атмосферного тиску, що оточує мембранну коробку, призводить до прогину центра верхньої мембрани і за допомогою тяги 2 до повертання важеля 5. Поворот важеля 5 призводить до зміни натягу гвинтової пружини 6, до середньої частини якої жорстко закріплений приводом стрілки 3. Під час зміни натягу гвинтової пружини 6 одночасно відбувається її розкручування відносно вертикальної осі, і закріплена на середині пружини стрілка 3 повертається відносно нерухомої шкали 4. Регулювання нуля ЗВТ виконують зміною початкового натягу пружини 6 за допомогою гвинта 8 коректора нуля та плоскої пружини 7.

Аналогічний принцип дії з деякими конструктивними відмінами мають мембранні тонометри, які використовують у якості ЗВТ для вимірювання артеріального тиску крові [46].

Рисунок 2.25 – Принципова схема мембранного барометра

Вибір, установка і захист від агресивних середовищ приладів для вимірювання тиску

Велика різноманітність вимірювань тиску і розрідження в специфічних умовах, в яких вони проводяться на хімічних заводах, не дозволяє давати вичерпних вказівок по вибору, установці і експлуатації приладів. Проте з різноманіття випадків вимірювання можна виділити деякі загальні вимоги, виконання яких може забезпечити правильність вимірювань в будь-яких умовах.

До початку вимірювання тиску необхідно визначити зразкову його величину, межі коливань, фізико-механічні властивості середовища, необхідну точність вимірювання і ін. Знаючи ці умови, можна вибрати належний тип приладу.

Щоб уникнути зниження точності вимірювання і забезпечити достатньо тривалий термін служби пружинних приладів, допустимий робочий тиск не повинен перевищувати 3/4 верхньої межі шкали. Для інших приладів (не пружинних) допустимий робочий тиск повинен бути можливо ближчий до граничного значення шкали приладу.

Місце відбору тиску на об'єктах вимірювання необхідно вибирати так, щоб результати вимірювання не спотворювалися динамічною дією потоку і завихреннями, які утворюються поблизу місцевих опорів (колін, трійників, вентилів, регулюючих органів). Імпульсні лінії, що сполучають місця відбору тиску з манометрами, повинні прокладатися з нахилом не менше 1:50 у бік місця відбору, якщо вимірюване середовище – газ або пара (виключаються рідинні пробки усередині трубок), або у бік манометра, якщо вимірюване середовище – рідина (виключаються газові пробки). Довжина імпульсних ліній не повинна перевищувати 30 м, якщо вимірюваний тиск не більш 9,8•102 Н/м³ (100мм вод.ст.), а при вимірюванні вищого тиску - не більше 50м. Рекомендується застосовувати сполучні трубки з внутрішнім діаметром 10 - 12, але не менше 8мм.

Перед пружинним манометром обов'язково встановлюється триходовий кран, за допомогою якого манометр плавно включається в роботу, виробляється перевірка нульової точки шкали, перевірка показів манометра в робочій точці (за допомогою підключення контрольного приладу), а також продувки імпульсних ліній [35].

Рис.2.26 – Сифонові трубки:

У хімічній промисловості манометри часто встановлюються на теплообмінниках, випарних, екстракційних і дистиляційних апаратах, автоклавах, сушарках і т.п. В таких випадках необхідний захист приймаючої частини манометра (пружини, мембрани) від дії високої температури газу або пари. Для цього перед манометром встановлюють розділюючу мембрану (2.26,а), або ємність (рис.2.26,б), абож так звану сифонову трубку у вигляді букви U або кільцевої петлі (рис.2.26,в).

При вимірюванні тиску нагрітого газу сифонову трубку заповнюють водою. Якщо рідина, газ, пара або їх конденсат хімічно активні по відношенню до матеріалу приймаючої частини приладу, то перед манометром встановлюють мембранний пристрій або захисну посудину, заповнену інертною рідиною.

Тиск вимірюваного середовища передається манометру через розділювальну рідину або розділювальну мембрану. Розділювальна рідина не повинна хімічно взаємодіяти з вимірюваним середовищем або змішуватися з ним, повинна бути нейтральною до матеріалу з’єднувальних трубок, розділюючих пристроїв і манометра. Залежно від властивостей вимірюваного середовища і умов експлуатації як розділювальні рідини застосовуються – вода, технічні масла, гліцерин, водні розчини гліцерину, етиленгліколь, чотирихлористий вуглець, гас і ін.

Для захисту від нагрівання випромінюванням манометр повинен бути або віддалений від апарату на достатню відстань, або закритий екраном, що поглинає теплове випромінювання.

При вимірюванні тиску в апараті, схильному до вібрації, манометр слід встановлювати на окремому щитку. Перед манометром необхідно встановлювати пристрої, що поглинають коливання. Такі пристрої (буфери) найчастіше є дроселями у формі голчатого вентиля або діафрагми з дуже маленьким отвором, встановлюваними перед манометром. Згладжуючий буфер може бути виконаний також у формі довгого вузького каналу, утвореного або відрізком капілярної трубки, згорнутої у спіраль, або дрібною гвинтовою нарізкою на конічній прошліфованій пробці, вставленій в конічне кубло трубки, що включається перед манометром. Рідинні прилади встановлюють строго по рівню.

Переглядів: 9631