Деформационные приборы

Принцип действия пружинных приборов основан на уравновешивании измеряемой величины усилиями деформации различного вида упругих элементов. Величина деформации упругого элемента с помощью различных устройств преобразуется в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора. Достоинствами пружинных приборов являются простота устройства и эксплуатации, универсальность, портативность и большой диапазон измеряемых величин.

Пружины приборы можно разделить на следующие группы.

1. Приборы с трубчатой пружиной (рисунок 6.2, а и б). Приборы этого типа часто называются пружинными в отличие от мембранных и сильфонных приборов.

2. Мембранные приборы, в которых преобразование давления в перемещение осуществляется упругой мембраной (рисунок 6.6, в), анероидной или мембранной коробкой (рисунок 6.2, г, д), блоком анероидных или мембранных коробок (рисунок 6.2, е, ж).

3. Приборы, в которых измеряемое давление предварительно преобразуется в усилие, действующее на пружину. К этой группе приборов относятся:

а) пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рисунок 6.2, з);

б) пружинно-сильфонные (рисунок 6.2, и).

4. Приборы, у которых преобразование осуществляется гармониковой мембраной (сильфоном) (рисунок 6.2, к).

Рисунок 6.2 – Типы пружинных приборов

Приборы с трубчатыми пружинами. Наибольшее применение имеют приборы с одновитковой трубчатой пружиной. Такие пружины применяются в манометрах, вакуумметрах, мановакуумметрах и дифманометрах.

Основная деталь прибора с одновитковой трубчатой пружиной – согнутая по дуге окружности трубка 1 эллиптического или плоскоовального сечения (рисунок 6.3). Одним концом трубка заделана в держатель 2, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к источнику давления. Внутри держателя проходит канал, который соединяется с внутренней полостью трубки 1.

а – схема трубчатой пружины: 1 – трубка; 2 – держатель; б – эллиптическое поперечное сечение трубки; в – плоско-овальное поперечное сечение трубки

Рисунок 6.3 – Приборы с одновитковой трубчатой пружиной

Принцип действия приборов с трубчатой пружиной основан на свойстве трубчатой криволинейной пружины с некруглым поперечным сечением изменять свою кривизну при изменении избыточного давления или разрежения внутри трубки. Если в трубку подать избыточное давление, то кривизна трубки уменьшится и она распрямится; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и она скручивается.

Перемещение свободного конца трубки посредством передаточного механизма преобразуется в поворот стрелки показывающего прибора или во входное перемещение электрического или пневматического вторичного преобразователя. Кроме преобразовательной функции трубка выполняет функцию демпфера (устройства для гашения (демпфирования) или предотвращения колебаний, возникающих в машинах, приборах, системах при их работе).

Мембранные приборы. При измерении малых значений давления роль чувствительного элемента манометра выполняет не трубка, а металлическая мембрана. За счет большей площади мембраны даже малое приложенное давление вызывает значительную деформацию

мембраны. Эта деформация через тягу передается на поворотный механизм стрелки – манометр показывает действующее давление.

Зависимость прогиба от давления в общем случае нелинейна. Величина прогиба мембраны является сложной функцией действующего на нее давления, ее геометрических параметров (диаметра, толщины, числа, формы и размеров гофров), а также модуля упругости материала мембраны. Гофрировка мембраны увеличивает ее жесткость, т. е. уменьшает прогиб при одинаковом давлении, но одновременно она преобразует характеристику мембраны в линейную.

С целью увеличения прогиба в приборах для малых давлений (разрежении) мембраны попарно соединяют (сваркой или спайкой) в мембранные коробки, а коробки – в мембранные блоки. Мембранные коробки могут быть анероидными (рисунок 6.2, г) и манометрические (рисунок 6.2, д). Анероидные коробки, применяющиеся в барометрах и барографах, герметизированы и заполнены воздухом или каким-либо газом при очень малом давлении, обычно около 1,33 н/м² (0,01 мм рт. ст.). Деформация анероидной коробки происходит под действием разности давления окружающей ее среды и давления в полости коробки.

Так как давление в полости коробки очень мало, то можно считать, что ее деформация определяется атмосферным давлением. Величина деформации анероидной или манометрической коробки равна сумме деформаций составляющих ее мембран.

Пружинно-мембранные приборыотличаются от описанных выше тем, что в них мембрана, воспринимающая давление, выполнена из гибкого материала (вялая мембрана), и давление уравновешивается вследствие упругости цилиндрической винтовой пружины. Гибкие мембраны обычно изготовляются из резины с тканевой основой, из ткани с газонепроницаемой пропиткой или из гибких пластмасс. Вялые мембраны применяются в тягомерах, напоромерах, тяго-напоромерах и дифманометрах.

К недостаткам мембранных приборов относятся небольшой ход подвижного центра чувствительного элемента, значительные отклонения жесткости мембран от расчетной и трудность регулирования жесткости мембран. Эти недостатки мембранных чувствительных элементов устраняются в приборах, построенных по схеме силовой электрической или пневматической компенсации.

Сильфонные приборы. Чувствительным элементом сильфонных приборов является цилиндрический тонкостенный сосуд с кольцевыми складками (гофрами), называемый сильфоном.

При действии осевой нагрузки (внешнего или внутреннего давления) длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы. В пределах рабочего диапазона давлений деформация сильфона приблизительно пропорциональна действующему усилию, т. е. характеристика сильфона близка к линейной.

Существенные недостатки сильфонов – значительный гистерезис и некоторая нелинейность характеристики. Для увеличения жесткости, уменьшения влияния гистерезиса и нелинейности часто внутрь сильфона помещают винтовую цилиндрическую пружину (рисунок 6.2, и). Жесткость пружины обычно в несколько раз превышает жесткость сильфона, благодаря чему резко уменьшается влияние гистерезиса сильфона и нелинейности его характеристики.

Относительно большая величина рабочего хода сильфона позволяет применять их в регистрирующих приборах.

а) б)

а – манометр ТМ-110; б – манометр МТИ;

в – манометр ТМ-121;

Рисунок 6.4 – Манометры ЗАО «Росма»

Манометры выпускаются многими российскими компаниями. На рисунке 6.4 показаны манометры производства ЗАО «Росма» (г. Санкт-Петербург). Трубчатый манометр ТМ серии 10 стандартного исполнения (рисунок 6.4, а) используется для измерения избыточного, вакууметрического давления неагресcивных к медным сплавам жидких и газообразных, не вязких и не кристаллизующихся сред с температурой до150 °C. Корпус манометров в стандартном исполнении выполнен из стали, механизм – из латунного сплава. Применяется во всех отрасли промышленности, включая системы теплоснабжения, водоснабжения, вентиляции.

Манометры точных измерений (рисунок 6.4, б) применяются для измерения давления неагресcивных к медным сплавам жидких и газообразных, не вязких и не кристаллизующихся сред с температурой до 100 °C. Манометр МТИ может быть использован в качестве рабочего эталона при поверке и калибровке средств измерения давления с соблюдением требований по соответствию классов точности образцового и поверяемого приборов. Область применения МТИ: метрологический контроль и надзор, теплоснабжение, водоснабжение, энергетика, машиностроение и другие отрасли промышленности.

Манометр коррозионностойкий виброустойчивый (рисунок 6.4, в) выполнен полностью из нержавеющей стали. Применяется для измерения давления агрессивных жидких и газообразных, не вязких и не кристаллизующихся измеряемых сред с температурой до200 °C. Эти промышленные манометры могут использоваться в условиях агрессивной окружающей среды, повышенной вибрации и при измерении переменного давления. Может использоваться в сборе с разделителем сред. При измерении давления с высокими динамическими нагрузками, прибор необходимо заполнить

глицерином или силиконом. Область применения: теплоснабжение, водоснабжение, горнодобывающая промышленность, нефтехимическая промышленность, энергетика, машиностроение.

Манометр с электроконтактной приставкой (ЭКМ) предназначен для управления внешними электрическими цепями в схемах сигнализации, автоматики и блокировки технологических процессов (рисунок 6.4, б). Электроконтактная группа снабжена указателями, с помощью которых осуществляется настройка приставки на пороговое значение (значение уставки). ЭКМ работает следующим образом: электроконтактная группа и стрелка прибора механически связаны и при переходе стрелки за значение уставки происходит замыкание или размыкание электрической цепи.

Дифференциальный манометр (дифманометр) – это показывающий (стрелочный или цифровой) прибор, измеряющий перепад (разность) давления.

Дифференциальные манометры широко применяются в технологических процессах для измерения, контроля, регистрации и регулирования перепада давления, расхода, уровня.

В зависимости от измеряемого параметра различают

дифманометры: перепадомеры, расходомеры и уровнемеры. Помимо простого показывающего исполнения, дифманометры могут быть сигнализирующими и самопищущими.

Дифманометр-расходомер – это прибор, измеряющий расход вещества (жидкость, газ, пар) по принципу перепада давлений на сужающем устройстве (стандартные диафрагмы и сопла) или вводимых в поток гидро- или аэродинамическом сопротивлениях. Дифманометр-расходомер отградуирован в единицах измерения массового или объемного расхода: л/мин, л/с, м3/час, т/час).

Дифманометр-перепадомер – это прибор, измеряющий перепад (разность) давления жидких и газообразных сред в двух точках измерения. Дифманометр-перепадомер градуируется соответственно в единицах измерения давления (Па, кПа, МПа, бар, кгс/м2, кгс/см2).

Дифманометр-уровнемер – это прибор, измеряющий уровень жидких сред по величине гидростатического столба. Дифманометр-уровнемер градуируется в единицах измерения длины (мм, см, м).

По принципу действия и конструкции дифференциальные манометры подразделяются на три основных группы: пружинные, жидкостные и компенсационные.

Пружинный дифманометр – это прибор, в котором перепад давления измеряется по перемещению упругого чувствительного элемента – пружины (трубка бурдона, мембрана, сильфон).

Жидкостной дифманометр – это прибор, в котором перепад давления измеряется величиной гидростатического столба жидкости, уравновешивающего перепад. К жидкостным относятся трубные (U-образные), поплавковые, колокольные и кольцевые дифманометры.

Компенсационный дифманометр – это прибор, принцип действия основного блока (пневмо- или электросилового преобразователя), которого основан на силовой компенсации усилия, развиваемого упругими чувствительными элементами (сильфон или мембрана) измерительного блока.

Компенсационные дифманометры удобны для непрерывного преобразования перепада давления в пропорциональный пневматический или электрический сигнал дистанционной передачи, что позволяет использовать их в комплекте с вторичными приборами (измерителями-регуляторами).

а) б) в)

а – дифманометр ДСП-160М1; б – дифференциальный цифровой манометр с обработкой данных ДМЦ-01М; в – дифманометр самопишущий ДСС-711М1

Рисунок 6.5 – Дифманометры ГК ПРОМПРИБОР, Россия

Дифманометр ДСП-160М1 (рисунок 6.5, а) предназначен для измерения разности давлений жидких и газообразных сред, уровня жидкостей, находящихся под атмосферным, вакуумметрическим или избыточным давлением. Широкое применение дифференциальные манометры ДСП-160-М1 нашли в теплоэнергетике, химической и нефтехимической промышленности.

В состав дифманометра ДСП-160-М1 входит сильфонный блок, который имеет специальный вывод на стрелочный указатель. Выпускается в трех вариантах – для местного рынка, на экспорт и для использования в условиях тропиков.

Дифференциальный цифровой манометр с обработкой данных ДМЦ-01М (рисунок 6.5, б) – профессиональный прибор для измерения давления, разрежения и разности давлений газов, а также для определения скорости и расхода газопылевых и воздушных потоков с помощью напорных трубок "НИИОГАЗ" или "ПИТО" (по ГОСТ 17.2.4.06-90 и ГОСТ 8.361-79).

Применяется при технологическом и экологическом контроле выбросов различных производств, контроле вентиляции

производственных помещений, аэродинамических исследованиях. Имеет встроенный микропроцессор, который обеспечивает

автоматическую установку нуля, измерение и накопление данных по сечению газохода (профиль скоростей в N<99 точках), расчет локальных скоростей и расхода газа с коррекцией на температуру потока, расчет средних скорости и расхода газа по измеренным точкам.

Результаты расчета выводятся на большой дисплей, снабженный подсветкой (параметры газохода, коэффициент напорной трубки и температура предварительно заносятся в память прибора).

Прибор может быть дооснащен памятью, интерфейсом RS-232 для подключения к персональному компьютеру, каналом

автоматического ввода температуры. Для предприятий теплоэнергетики выпускаются дифманометры ДМЦ-1М с программой расчета скорости и расхода, адаптированной к требованиям Минэнерго.

Дифманометры самопишущие серии ДСС (рисунок 6.5, в) имеют класс точности 1; 1,5%; предельно допускаемое рабочее избыточное давление от 63 до 320 кгс/см²; измеряемый перепад от 0,063 до 6,3 кгс/см². Запись ведется на круглую диаграмму (диаметр 250 мм), время одного оборота диаграммы – 24 часа.