Деформационные манометры и дифманометры. Устройство, принцип действия, типы и виды деформационных механических манометров.
В деформационных манометрах используется зависимость деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Пропорциональная давлению деформация или сила преобразуются в показания или соответствующие изменения выходного сигнала. Большинство деформационных манометров и дифманометров содержат упругие чувствительные элементы, осуществляющие преобразование давления в пропорциональное перемещение рабочей точки.
Наиболее распространенные упругие чувствительные элементы представлены на рис. 1. К их числу относятся трубчатые пружины, сильфоны, плоские и гофрированные мембраны, мембранные коробки, вялые мембраны с жестким центром.
Рис. 1. Упругие чувствительные элементы деформационных манометров
а — трубчатые пружины; б — сильфоны; в, г — плоские и гофрированные мембраны; д — мембранные коробки; е — вялые мембраны с жестким центром
Статической (упругой) характеристике чувствительного элемента, связывающей перемещение рабочей точки с давлением, присуще наличие начальной зоны пропорциональных перемещений, в которой имеют место упругие деформации, и нелинейной области, в которой возникают пластические деформации. Несовершенство упругих свойств материалов чувствительных элементов обусловливает наличие гистерезиса статической характеристики и упругое последействие. Последнее проявляется в запаздывании перемещения рабочей точки по отношению к приложенному давлению и медленном возвращении ее в начальное положение после снятия давления.
Форма и крутизна статической характеристики зависят от конструкции чувствительного элемента, материала, температуры. Рабочий диапазон выбирается в области упругих деформаций с обеспечением запаса на случай перегрузки чувствительного элемента давлением.
Полые одновитковые трубчатые пружины (см. рис. 1, а), имеют эллиптическое или плоскоовальное сечение. Один конец пружины, в который поступает измеряемое давление, закреплен неподвижно в держателе, второй (закрытый) — может перемещаться. Под действием разности измеряемого внутреннего давления и внешнего атмосферного трубчатая пружина деформируется: малая ось сечения трубки увеличивается, большая уменьшается, при этом пружина раскручивается и ее свободный конец совершает перемещение в 1 ...3 мм. Для давлений до 5 МПа трубчатые пружины изготовляют из латуни, бронзы, а для более высоких давлений — из легированных сталей и сплавов никеля.
Сильфонные и мембранные чувствительные элементы имеют более широкие возможности для увеличения эффективной площади с целью получения требуемого перестановочного усилия, что позволяет использовать их для измерения малых избыточных давлений и разрежения. Сильфон (см. рис. 1, б) — это тонкостенная трубка с поперечными кольцевыми гофрами на боковой стенке. Жесткость сильфона зависит от материала, наружного и внутреннего диаметров, толщины стенки заготовки, радиуса закругления гофр r и угла их уплотнения a, числа гофр. Сильфоны бывают цельнотянутыми и сварными. Благодаря значительному прогрессу в технологии изготовления сильфонов, они получили широкое распространение в манометрах и дифманометрах с силовой компенсацией.
Наиболее разнообразными по конструкции являются мембранные чувствительные элементы. Представленная на рис. 1 в, плоская или пластинчатая мембрана представляет собой гибкую тонкую пластину, закрепленную по окружности. Под влиянием разности давлений, действующих с обеих сторон на мембрану, ее центр перемещается. Плоская мембрана имеет нелинейную упругую характеристику и малые перемещения рабочей точки, в связи с чем ее в основном применяют для преобразования давления в силу (пьезоэлектрические преобразователи), поверхностные деформации (тензопреобразователи) и малые перемещения (емкостные и резонансные преобразователи). Преобразователи с такими чувствительными элементами рассмотрены в разделе электрических манометров.
Для улучшения статической характеристики используют гофрированные мембраны и мембранные коробки (см. рис. 1, г, д). Профили мембран могут быть пильчатыми, трапецеидальными, синусоидальными. Гофрирование мембраны приводит к увеличению ее жесткости, спрямлению статической характеристики и увеличению зоны пропорциональных перемещений рабочей точки. Более широко используются мембранные коробки, которые представляют собой сваренные или спаянные по внешней кромке мембраны. Жесткость коробки вдвое ниже жесткости каждой из мембран. В дифманометрах, чувствительных элементах регуляторов прямого действия используются мембранные блоки, включающие две коробки и более.
Для измерения малых давлений применяются вялые мембраны (см. рис. 1, е), изготовленные из бензомаслостойкой прорезиненной ткани. В центре мембраны крепятся металлические пластины, в одну из которых упирается винтовая пружина, выполняющая функции упругого элемента.
Упругие свойства материалов чувствительных элементов зависят от температуры. Так, у трубчатых пружин температурный коэффициент снижения жесткости при росте температуры достигает 3 * 10 -4°С. Это определяет необходимость защиты приборов от воздействия высоких температур измеряемой среды. С течением времени у упругих чувствительных элементов накапливаются пластические деформации и уменьшаются упругие, это приводит к снижению крутизны статической характеристики прибора и ее смещению. Процесс изменения статической характеристики ускоряется при повышенной температуре и пульсации измеряемого давления. Конструкция деформационных манометров и дифманометров обычно предусматривает возможность коррекции отклонений показаний или выходного сигнала, вызванных старением упругого чувствительного элемента.
В соответствии с используемым в приборах типом рассмотренных чувствительных элементов деформационные манометры подразделяются на пружинные, сильфонные и мембранные, разновидности этих групп приборов показывающих и с дистанционной передачей показаний рассмотрены ниже.
Показывающие манометры (механические)
Большинство показывающих, самопишущих и сигнализирующих манометров с трубчатой пружиной являются устройствами прямого преобразования, в которых давление последовательно преобразуется в перемещение чувствительного элемента и связанного с ним механически показывающего, регистрирующего или контактного устройства.
Рис. 2. Пружинный показывающий механический манометр
1 — одновитковая трубчатая пружина; 2 — держатель; 3 — пробка; 4 — поводок; 5 — зубчатый сектор; 6 — шестерня; 7 — стрелка
Схема показывающего пружинного манометра представлена на рис. 2. Одновитковая трубчатая пружина 1 с одного конца приварена к держателю 2, прикрепленному к корпусу манометра. Нижняя часть держателя заканчивается шестигранной головкой и штуцером, с помощью которого к манометру подсоединяется трубка, подводящая давление. Свободный конец пружины 1 припаян к пробке 3, шарнир- но соединенной с поводком 4.
При перемещении свободного конца пружины поводок поворачивает зубчатый сектор 5 относительно оси О, вызывая поворот шестерни (трибки) 6 и сидящей на одной оси с ней показывающей стрелки 7. Пружина, не приведенная на рисунке, обеспечивает поджатое зубцов трибки к зубцам сектора, убирая люфт. Статическая характеристика манометра может подстраиваться за счет изменения точки закрепления поводка 4 в прорези сектора 5 и смещения положения стрелки, устраняя мультипликативную и аддитивную погрешности. На рис. 2 показано радиальное размещение штуцера. Манометры также изготавливаются с его осевым размещением.
Пружинные показывающие манометры выпускаются с верхним пределом измерения от 0,1 МПа (1 кгс/см2) до 103 МПа (104 кгс/см2) в соответствии со стандартным рядом. Пружинные вакуумметры имеют диапазон измерения — 0,1...0 МПа, а мановакуумметры при нижнем пределе измерения — 0,1 МПа имеют верхний предел измерения по избыточному давлению от 0,1 до 2,4 МПа. Образцовые показывающие пружинные манометры имеют класс точности 0,15; 0,25 и 0,4; рабочие 1,5; 2,5; 4, рабочие повышенной точности 0,6 и 1.
Для сигнализации предельных отклонений давления в цепях защиты и позиционного регулирования широко применяются электроконтактные манометры. Схема манометра типа ЭКМ представлена на рис. 3. В показывающий манометр дополнительно введены две стрелки 2, 3, к которым упругими токоподводами поджаты электрические контакты 4.
Рис. 3. Электроконтактный манометр:
1 — показывающая стрелка; 2, 3 — стрелки; 4 — электрические контакты; 5 — поводок; 6 — электрический контакт
Стрелки 2,3 с помощью торцевого ключа и поводка 5 устанавливаются против значений сигнализируемого давления. Показывающая стрелка 1 также снабжена электрическим контактом 6. Если давление находится в пределах рабочего диапазона, то электрические цепи сигнализации разомкнуты. При достижении показывающей стрелкой любой из контактных замыкается электрическая цепь, вызывая срабатывание сигнализации. Электрические контакты остаются замкнутыми при нахождении показывающей стрелки за пределами рабочего диапазона давления, поскольку стрелки 2, 3 ограничивают смещение контактов внутрь рабочего диапазона, а вне его контакты увлекаются показывающей стрелкой 1. Класс манометров и вакуумметров 1, 5; пределы измерения соответствуют стандартному ряду.
Для целей сигнализации и позиционного регулирования используются реле давления типа РД, которые не имеют показывающей шкалы и имеют верхние пределы измерения в диапазоне 12— 1600 кПа. Их настройка на верхний или нижний предел срабатывания производится по показаниям контрольного манометра. Разрывная мощность контактов при активной нагрузке составляет 10 Вт (ф. «Метран»).
Промышленностью выпускаются механические показывающие и самопишущие манометры (МТП, МТС), вакуумметры (ВТП, ВТС) и мановакуумметры (МВТП, МВТС) с одновитковой трубчатой пружиной. Самопишущие приборы имеют дисковую диаграмму, совершающую один оборот за 8, 12 или 24 ч, ее вращение осуществляется электрическим двигателем или часовым механизмом, имеющим 8-суточный завод. Класс точности манометров 1; 1,5; 2,5.
Сильфонные чувствительные элементы используются в механических показывающих и самопишущих дифманометрах типа ДСП и ДСС. Схема их чувствительного элемента, представляющего сильфонный блок, дана на рис. 4, а, на рис. 4, б приведен внешний вид дифманометра с вентильным блоком. Под действием разности давлений рабочий сильфон 1, расположенный в плюсовой камере дифманометра, сжимается и кремнийорганическая жидкость 2, заполняющая внутреннюю полость сильфона 1, частично вытесняется во внутреннюю полость сильфона 3, находящегося в минусовой камере дифманометра. При этом перемещается шток 4, жестко соединенный с дном сильфона 3. Работающие на растяжение пружины 5 одним концом прикреплены к неподвижному стакану 6, а другим — к концу штока 4. Со штоком 4 соединен конец рычага 7, который с помощью торсиона 8, отделяющего внутреннюю полость дифманометра от атмосферы, поворачивает ось 9, связанную с записывающим или показывающим устройством. Резиновые кольца 10 служат для ограничения хода штока 4 при односторонних перегрузках.
Рис. 4. Сильфонный дифманометр типа ДС:
а — схема сильфонного блока; б — внешний вид; 1 — рабочий сильфон; 2 — кремний органическая жидкость; 3 — внутренняя полость сильфона; 4 — шток; 5 — пружины; 6 — неподвижный стакан; 7 — рычаг; 8 — тореной; 9 — ось; 10 — резиновые кольца; 11 — гофры; 12, 13 — вентили запорные и уравнительный
Первые три гофра 11 представляют собой термокомпенсатор, воспринимающий изменение внутреннего объема жидкости 2 при изменении температуры прибора. Дифманометры снабжаются вентильным блоком, включающим запорные вентили 12 и уравнительный 13. Подключение к объекту измерения дифманометра с открытым уравнительным вентилем позволяет исключить воздействие одностороннего рабочего давления на чувствительный элемент. При закрытых вентилях 12 и открытом 13 указатель дифманометра дол-жен находиться на начальной отметке, что используется при проверке его работоспособности и настройке.
Дифманометры ДС могут иметь сигнализирующее устройство и пневматические преобразователи. Привод диаграммной бумаги при регистрации показаний, как и в манометрах МТС, производится синхронным двигателем или часовым механизмом. Дифманометры имеют верхний предел измерения от 6,3 кПа до 0,16 МПа при рабочем давлении 16 и 32 МПа, класс точности 1; 1,5. Дифманометры- расходомеры, работающие с сужающими устройствами, могут иметь манометрическую часть, производящую регистрацию статического давления до 32 МПа, и интегратор для суммирования расхода.
Мембранные упругие чувствительные элементы, чаще в виде мембранных коробок, используются в приборах для измерения напора и разрежения. Схема профильного напоромера типа НМП и его внешний вид представлены на рис. 5.
Рис. 5. Схема и внешний вид профильного мембранного напоромера НМП:
1 — штуцер; 2 — мембранная коробка; 3 — система рычагов и тяг; 4 — ось; 5 — показывающая стрелка; 6 — профильная шкала; 7 — корректор
Измеряемое давление через штуцер 1 на задней стенке прибора подается во внутреннюю полость мембранной коробки 2. С помощью системы рычагов и тяг 3, изображенных на схеме упрощенно, перемещение центра мембранной коробки преобразуется в пропорциональный угол поворота оси 4, на которую насажена показывающая стрелка 5, перемещающаяся вдоль профильной шкалы б. Для настройки начального положения показывающей стрелки используется корректор 7, находящийся на лицевой панели. Эти приборы выпускаются так же, как тягомеры и тягонапоромеры. Диапазон измерения приборов достигает 25 кПа в соответствии со стандартным рядом при классе точности 1,5; 2,5.
С использованием мембранных чувствительных элементов выпускаются реле (сигнализаторы) напора и тяги типа РД, которые работают в диапазоне от -12 до 12 кПа.