Тема: Манометры и датчики давления.

Цель работы:

Ознакомление с существующими типами манометров и датчиков давления.

Теоретическая часть:

Основной единицей давления паскаль(Па) 1 Па=1Н/м. Находят применение и другие единицы: 1 кг·с/см²=98066,5 Па; 1 бар=10²·10³ Па; 1 мм тр.ст.=133,32 Па; 1 мм вод. ст. =9,81 Па. В английских мерах используется фунт силы на квадратный дюйм(psi): 1 psi=6894,438. Приближено 1 бар=14,5 psi.

Жидкостные манометры бывают U - образные и чашечные, рис.1 а, б. С помощью их измеряют давление, разряжение или разность давлений. Показания обычно снимают в миллиметрах столба — рабочей жидкости (ртути, воды, спирта и т.п.) Для пересчитав паскали используют формулу:

P1-P2= hρg

где h - высота столба жидкости, м; p - плотность жидкости, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с².

В чашечных (однотрубных) манометрах цилиндрический сосуд обычно не прозрачный. Чтобы от видимого изменения уровня в трубке h1 перейти к фактической разности уровней h1 , нужно учесть площади сечения трубки F1 и чашки F2: h=h1(1+F1/F2).

Чашечные микроманометры с наклонной трубкой обладают большей чувствительностью. В них наблюдают за длиной столба жидкости l1, рис.1 в. Если F2/F1>200, то перепад давлений определяют по формуле: P1-P2= h·p·l·Sinα, где α угол наклона трубки.

Чтобы избежать непрерывного наблюдения за уровнем жидкости, разработаны поплавковые, колокольные и кольцевые манометры. Линейные перемещения поплавка или колокола и угловое перемещение кольца с жидкостью напрямую или через систему рычагов влияют на положение стрелки указателя разности давлений P1-P2. Эти же перемещения нетрудно преобразовать в электрический сигнал.

Рис.1. Жидкостные манометры.

Деформационные преобразователи давления содержат упругий чувствительный элемент в виде мембраны, сильфона или трубчатой пружины. Пропорциональная измеряемому давлению деформация упругого элемента передается к указателю или преобразуется в электрический сигнал.

Мембраны делятся на металлические и неметаллические. Первые из них могут быть плоскими и гофрированными. Прогиб гофрированной мембраны при прочих равных условиях получается больше. Соединение двух гофрированных мембран образует мембранную коробку рис.2 а. Из нескольких мембранных коробок получается мембранный блок, рис.2 б. Увеличение эффективной площади мембраны сопровождается повышением не только чувствительности, но и инерционности. Поэтому при измерениях переменных давлений используют плоские мембраны совместно с тензорезисторными, емкостными, пьезоэлектрическими, индуктивными и др. преобразователями деформации. Гофрированные мембраны и мембранные коробки часто работают в комплекте с индуктивным или реостатным преобразователем.

Неметаллические мембраны имеют жесткий центр и кольцевую часть с одним гофром, рис.2 в. В виду малой жесткости такой мембраны ее нередко снабжают цилиндрической пружиной.

Рис.2.Мембранные преобразователи

Мембраны и мембранные коробки легко приспособить для измерения разности давлений. Если внутри мембранной коробки или блока создать глубокий вакуум, то получается барометр — анероид для измерения атмосферного давления.

Сильфон представляет собой тонкостенную гофрированную металлическую трубку с закрытым торцем рис.3 а. Часто измеряемая среда находится не внутри, а снаружи сильфона, рис.3 б. Чтобы расширить диапазон измерений, сильфон снабжают цилиндрической пружиной. Перемещение дна сильфона, пропорциональное измеряемому давлению, нетрудно преобразовать в электрический сигнал. Сильфоны и мембраны часто применяются в регуляторах и сигнализаторах давления.

Рис. 3. Схемы сильфонов

Трубчатая пружина представляет собой упругую металлическую трубку некруглого сечения(эллиптического или плоскоовального), один конец который закрыт, а другой — соединен с неподвижным штуцером. Чаще всего применяется одновитковая пружина Бурдона, рис. 4 а. При увеличении давления трубка старается выпрямится. Соединяя свободный конец трубки посредством тяги и зубчатой передачи со стрелкой, получают обыкновенный манометр. Ввиду широкого распространения таких приборов пружину Бурдона нередко называют манометрической трубкой.

Электронный манометр дополнительно имеет три контакта, рис.4 б. Один из них крепится на стрелке манометра, а два других — на подвижных пластинах, положение которых устанавливается обслуживающим персоналом. Контакты включаются в электрическую цепь. При замыкании любого из них подается сигнал о достижении установленного давления.

Реостатный манометр отличается тем, что закрепленный на стрелке контакт является движком реостата, рис.33 в. Сопротивление рабочего участка реостата определяется положением стрелки. В некоторых манометрах свободный конец трубчатой пружины соединятся с сердечником, влияющим на индуктивность или взаимоиндуктивность катушки.

Рис.4. Пружинные манометры

Многовитковая (геликоидальная) трубчатая пружина, в отличие от одновитковой, обеспечивает большее перемещение свободного конца при таком же изменении давления. Применяется она значительно реже.

Дифференциальные манометры на основе трубчатых пружин изготовить трудно. Иногда для измерения разности давлений применяется манометр с двумя трубками и двумя стрелками. С одной из них соединяется подвижная шкала. Это позволяет по положению стрелок сразу определить разность давлений.

Поршневые преобразователи давления обладают высокой точностью и малой инерционностью. Они применяются в лабораториях установках для проверки и градуировки манометров, а так же в механических индикаторах давления и некоторых пиметрах. Основу их составляют поршень и цилиндр, рис.5. Перемещению поршня вверх препятствует сила F, создаваемая либо весом поршня и набора грузов (гирь), либо сопротивлением пружины. По величине этой силы находят давление....

Рис.5. Поршневой манометр

Электрический датчик давления без упругих элементов представляет собой проводник или полупроводник, сопротивление которого изменяется в зависимости от давления среды, в которой он находится. Его называют манометром сопротивления. Чувствительность таких датчиков невелика. Поэтому нужно исключить влияние других фактов, особенно температуры. Для измерения высоких давлений (более 100 Мпа) используются преобразователи из манганина, сопротивление которого почти не зависит от температуры. Ведется поиск полупроводниковых материалов с высоким барическим и малым температурным коэффициентом электрического сопротивления.

К электрическим обычно относят также емкостные, резистивные, магнитоупругие и пьезоэлектрические датчики, хотя все они содержат мембрану. Прогиб мембраны приводит к изменению ёмкости конденсатора или сопротивления тензодатчика. Передаваемое мембраной усилие изменяет магнитную проницаемость ферромагнитного материала или вызывает появление электрических зарядов на гранях пьезоэлемента. Конструкции этих датчиков разнообразны и достаточно сложны.

Сигнализаторы давлений.

Все сигнализаторы имеют релейные статические характеристики. К сигнализаторам давления следует отнести электроконтактные манометры. Недостатками их является малая разрывная мощность (10 ВА) и нечеткое срабатывание контактов из-за колебаний стрелки, обусловленных изменением давления и вибрацией оборудования. Поэтому преимущественное распространение получили контактные датчики-реле давления и разности давлений. Они не показывают измеряемого давления, но четко переключают контакты при заданных значениях.

Датчики-реле давления (ДРД) выпускаются разными фирмами и имеют различные конструкции. В качестве чувствительного элемента чаще всего используется сильфон. Иногда применяется мембрана или мембранная коробка. Размеры чувствительного элемента и жесткость пружины, противодействующей его деформации, определяют диапазон контролируемых давлений. ДРД одного типа могут оснащаться разными контактными системами. Этим определяется вид статических характеристик.

Для примера рассмотрим одинарный (одноблочный) ДРД типа RT, рис.6 а. Деформация сильфона 2 и положение штока 3 в нем зависят от контролируемого давления Р и затяжки пружин 1 и 8. Натяг пружины 8 можно изменять вращением винта с головкой в виде рукоятки 10. При этом гайка 9 с указателем заданного давления срабатывания... контактов 4 перемещается вертикально. Статическая характеристика ДРД отражает состояние контактов, которые в зависимости от давления Р могут занимать два положения: 0-разомкнуто; 1-замкнуто, рис.6 б,в.

Рис. 6. Кинематические схемы и характеристики сигнализаторов типа RT

Когда давление Р ниже заданного, рычаг 7 действует на контактную систему так, что нижний контакт замкнут, а верхний разомкнут. Левый конец рычага 7 находится в кольцевом зазоре между дисками 5 и 6. Поэтому обратное переключение контактов происходит при давлении, отличающемся от заданного на величину зоны возврата ∆. Чтобы изменить зазор, диск 5 выполняется в виде круглой гайки, на наружном ободе которой нанесены значения настроенной зоны возврата. Поскольку рычаг 7 действует на контактную систему 4 через предварительно деформированную плоскую пружину, изображенную в виде петли, контакты переключаются резко, а зона возврата не может быть равной нулю даже при отсутствии зазора между дисками.

Некоторые ДРД рассматриваемого типа имеют защелку, которая фиксирует контакты после срабатывания. Обратное переключение контактов в них происходит лишь после нажатия кнопки деблокировки при условии изменения давления на величину зоны возврата.

Регуляторы перегрева.

Перегрев пара определяется как разность между температурами парообразного и кипящего хладагентов при одинаковом давлении. Часто он характеризует степень заполнения испарителя жидким хладагентом. К регуляторам перегрева относятся терморегулирующие клапаны, электронные регуляторы разности температур и манометрические терморегуляторы, поддерживающие заданную температуру нагнетания путем впрыска жидкого хладагента.

Терморегулирующие клапаны традиционно называют терморегулирующими вентилями (ТРВ). Их считают регуляторами разности температур, которые изменяют подачу жидкого хладагента пропорционально величине перегрева пара на выходе из испарителя. Они имеют манометрическую термосистему, в которой температура перегретого пара преобразуется в давление наполнителя. На упругий элемент с другой стороны действует давление кипения. По этому признаку ТРВ можно отнести к регуляторам разности давлений. Упругим элементом ТРВ является мембрана или сильфон. В зависимости от способа подачи давления кипения под упругий элемент различают ТРВ с внутренним или внешним отбором давления (уравниванием).

В ТРВ с внутренним отбором давления под мембрану подается хладагент с выхода дроссельного органа, рис.7 а. Давление над мембраной зависит от температуры выходящего из испарителя И пара, воспринимаемой термобаллоном 3. Степень затяжки пружины 1, определяет заданный перегрев. При увеличении фактического перегрева шток 2 перемещается вниз, увеличивая подачу жидкого хладагента. Из-за гидравлического сопротивления испарителя давление под мембраной оказывается несколько выше давления кипения, а действительный перегрев пара превышает заданную величину. ТРВ с внутренним уравниванием применяют при потерях давления в испарителе не более 0,1...0,2 бар. Между ТРВ и испарителем не должно быть никакой арматуры. В связи с отмеченными ограничениями внутренний отбор давления имеют лишь некоторые ТРВ малой производительности.

ТРВ с внешним уравниванием содержит перегородку с внутренним сальником 4, рис.7 б. Давление под мембрану подается по дополнительной трубке 5, присоединяемой к всасывающему трубопроводу вблизи места установки термобаллона. Это исключает влияние гидравлического сопротивления испарителя и установленной перед ним арматуры на величину действительного перегрева пара.

Рис. 7 Схемы подключения ТРВ.

Существуют разные варианты конструктивного исполнения ТРВ. Наиболее распространенные из них схематично показаны на рис.37, где обозначено: 1-термобаллон; 2-капилляр; 3-мембрана; 4-тарелка; 5-входной патрубок жидкости; 6-клапан (плунжер); 7-направляющая; 8-пружина; 9-наружный сальник; 10-задатчик; 11-винтовая пара натяга пружины; 12-выходной патрубок жидкости; 13-внутренний сальник; 14-патрубок уравнительной трубки; 15-толкатели; 16-шток; 17-двухклапанная система; 18-ведущая шестерня; 19-ведомая шестерня; 20-стакан; 21-сильфон; 22 и 23-входной и выходной паровые трубки;24-верхний толкатель; 25-дополнительный задатчик; 26-дополнительная пружина; 27-дополнительная мембрана; 28-наконечник; 29-ограничитель; 30-трубка сброса; 31-клапан исполнительного устройства; 32-поршень; 33-пружина; 34-калиброванное отверстие; 35-клапан пилота.

Манометрическая термосистема может быть дистанционной и встроенной. Обычно применяется дистанционная термосистема, которая содержит термобаллон 1 и капиллярную трубку 2 длиной 5 м. Встроенная термосистема получается, когда сильфон 21 с наполнителем находится непосредственно в потоке перегретого пара, рис.8 е. Такие ТРВ применяются редко из-за необходимости подводить к ним не только жидкостный, но и паровой трубопровод. Отсутствие же капилляра и термобаллона повышает надежность прибора, уменьшает инерционность термосистемы и подогрев нн внешней средой.

Заполнение термосистемы бывает прямое (параллельное) и перекрестное (двухкомпонентное). При прямом заполнении в качестве наполнителя используется хладагент, на котором работает машина, или вещество с аналогичной зависимостью давления насыщения от температуры. Нелинейность этой зависимости приводит к тому, что с понижением температуры кипения чувствительность ТРВ ухудшается, т. к. одинаковой величине перегрева соответствует меньшее изменение давления в термосистеме. Иногда для компенсации влияния температуры кипения применяют двухсильфонные ТРВ. Площадь верхнего сильфона, воспринимающего давление термосистемы, делают примерно на 15% меньше, чем площадь нижнего сильфона, воспринимающего давление кипения. В результате, несмотря на неодинаковые изменения давлений, разность усилий остается примерно одинаковой в довольно широком диапазоне температур кипения.

Различают паровое и парожидкостное заполнение термосистемы. К паровому относят ограниченное заполнение конденсационной системы. При температурах выше рабочего диапазона в системе находится перегретый пар, давление которого слабо зависит от температуры. В рабочем диапазоне обе разновидности прямого заполнения имеют характеристику конденсационной термосистемы.

Перекрестное заполнение получается, если характеристики наполнителя и хладагента пересекаются в одной или двух точках. Применяется адсорбционное и парогазовое заполнение. Адсобционное заполнение имеет линейную зависимость давления от температуры в рабочем диапазоне, рис.8 д. Нужный наклон этой зависимости можно получить путем соответствующего подбора количеств активированного угля и углекислого газа. За пределами рабочего диапазона давление в термосистеме слабо зависит от температуры, что исключает перегрузки упругого элемента.

Парогазовым наполнителем термосистемы служит обычно смесь веществ, обеспечивающих требуемую зависимость давления от температуры. Эта смесь не конденсируется или слабо конденсируется в головке ТРВ в процессе его работы. Часто применяется смесь легкокипящей жидкости с неконденсирующимся газом. Термосистемы для разных хладагентов и рабочих диапазонов температур различаются относительным содержанием неконденсирующегося газа.

Рис. 8. Конструктивные схемы ТРВ.

По виду передачи усилий от упругого элемента к плунжеру клапаны бывают ТРВ с одним штоком (рис.8 б,в,г), двумя или тремя толкателями(рис.8 а, д, е, ж). Задатчик перегрева 10, изменяющий затяжку регулировочной пружины, может иметь нижнее (рис.8 а, б, в, е, ж) или боковое (рис.8 г, з) расположение. Для уменьшения нагрузки на упругий элемент в ТРВ большой производительности используют двухклапанную систему, в которой давление дросселируемой среды направлено в противоположные стороны (рис.8 в). Встречаются конструкции ТРВ, обеспечивающие ограничение давления кипения, рис.8 ж. При определенных условиях, благодаря наличию второй мембраны 27, они выполняют функции регуляторов давления. Наибольшее распространение получили ТРВ прямого действия.