ДЕФОРМАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ 1 страница
В деформационных манометрах чувствительными элементами, воспринимающими измеряемое давление, служат манометрические упругие элементы. В качестве последних наибольшее распространение нашли полые одновитковые (трубки Бур-дона) или многовитковые трубчатые пружины, мембраны (плоские или гофрированные), мембранные коробки, а также силь-фоны, которые часто применяются в сочетании с винтовыми цилиндрическими пружинами (табл. 4-2).
Чувствительный элемент преобразует давление в перемеще-' ние или усилие, воздействующее либо на стрелку, показывающего или регистрирующего прибора, либо на подвижный элемент вторичного преобразователя.
Вид чувствительного элемента (или упругого преобразователя), его размеры, материал, способ изготовления выбираются в зависимости от назначения, условий эксплуатации, пределов измерения и требуемой точности пружинных манометров [1].
Точность приборов при прямом методе измерения давления независимо от их конструктивной схемы определяется в основном метрологическими характеристиками упругих чувствительных элементов. Это касается в первую очередь точности и стабильности их упругих характеристик, которые определяются однозначностью и воспроизводимостью свойств материалов, из которых изготовлены элементы, и стабильностью технологического режима их обработки.
Манометры с упругими элементами нашли широкое применение в практике измерения давлений и величин, связанных с давлением. Простота устройства, надежность в работе, малая инерционность, компактность и широкий диапазон измеряемых давлений обусловили их использование в качестве как технических, так и образцовых. Требуемая точность измерения осуществляется с помощью соответствующих материалов, технологии и методов измерений: прямого или уравновешивающего преобразования измеряемой величины.
Установка манометров на линиях контроля и регулирования в целлюлозно-бумажном производстве сопряжена с рядом мероприятий, направленных на защиту приборов от влияния исследуемых сред. Для предохранения приборов от действия высокой температуры при измерении давлений в паропроводах перед манометрами устанавливаются сильфонные трубки, в которых пар конденсируется и давление передается чувствительному элементу через охлажденный конденсат. При измерении давления химически активных сред следует предусматривать разделительные устройства, а для загрязненных и вязких сред — специальные отборные устройства. Это позволяет приблизить условия эксплуатации приборов к нормальным и использовать деформационные манометры с чувствительными элементами, выполненными из обычных материалов.
1
Схема устройства манометра | Краткое описание устройства манометра |
Функция преобразования
Диапазон измеряемых давлений
Источники погрешности. Классы точности
Область применения
1. С трубчатой пружиной (одновитко-
вой или многовитко-вой)
2. С мембран-ным упругим элементом
Измеряемое давление перемещает свободный конец трубчатой пружины
за счет упругой деформации сечения трубки. Перемещение трубки передается через передаточный механизм на указатель, либо воздействует на вторичный преобразователь. Манометры, в которых свободный конец трубчатой пружины соединен с винтовой пружиной, имеющей меж-витковое давление, имеют безнулевую шкалу
Мембраны, тонкие и круглые металлические пластины, плоские или с волнообразными концентрическими складками-гофрами соединяют попарно, образуя коробки, а коробки соединяют в мембранные блоки. В таких манометрах деформация упругого преобразователя возрастает пропорционально количеству мембран. Мембранный упругий элемент изменяет положение центра под Действием разницы сил, воздействующих на элемент. Перемещение передается на указатель или вторичный преобразователь
•Га |
p/l |
X |
В ЬК\ а2 )
х2 =
Э2 + х2
Г = У(1 + cos V)2 + (V — sin v)2
/ — величина перемещения свободного конца трубки; \х — коэффициент Пуассона; Е — модуль упругости материала трубки; а, Ъ — большая и малая полуоси поперечного сечения трубки; h — толщина стенок трубки; а, 0 — коэффициенты, зависящие от отношения aji>; р — радиус кривизны центральной оси трубки до деформации; V—начальный центральный угол трубки, изогнутый по дуге окружности; X — главный параметр пружины
Гофрированная мембрана
= а |
+ 6 |
fe3 |
PR* Eh*
Р — избыточное давление; R — рабочий радиус мембраны; Е — модуль упругости материала мембраны; ц — коэффициент Пуассона; /,— прогиб центра мембраны; а, Ь — коэффициенты, зависящие от геометрии мембраны; для сплошной равномерной гофрировки
д 2(3 + 00(1+») .
32fe, |
3fci (1 — ц2/а2)
аа |
3 — ц.
L6 (а — р)<а + 3)]'
*it Aa — коэффициенты. Мембрана е жестким центром радиуса гв
~-— = от] h Ь% ;
h* k A8
▼1 и £ зависят от г0. Мембрана с упругим плоским центром радиуса г
От ±10б Па
До 1,0.10е Па
От ±100 Па
ДО
6-Ю7 Па
Упругий гистерезис, последствие; невоспроизводимость свойств материала и технологии. Малая чувствительность ± (1,0 — 4) %
Нелинейность, малая чувствительность, разброс упругих характеристик из-за невоспроизводимости свойств материала и технологии изготовления
мембран ±(1,0 — 2,5) %
Манометры, вакуумметры, ма нова ку ум-метры общего и специального назначения, показывающие для установки по месту с сигнальными устройствами, с электрическими и пневматическими выходными сигналами ГСП. Записывающие приборы (чаще с многовитко-выми трубчатыми пружинами). Материалы: латунь, нейзильбер, бронзы оловянно-фосфори-стые и бериллиевые.
Для измерения как избыточных давлений и разрежений, так и для перепадов давления (датчики перепадов давления): напоромеры, тягомеры, тягонапоро-
меры, дифмано-метры-расходомеря
и уровнемеры. Материалы: бериллиевые бронзы, нейзильбер, реже латунь и фосфористая бронза
PR
I,
о
X |
Л* S h h?
a + |
a + 3 a2—9 |
X |
I |
Hi)'
t =1 + 1^^1/3,58^
Продолжение
3. С снльфон-ным упругим элементом
Сильфон, тонкостенный металлический цилиндр с кольцевыми волнообразными складками — гофрами на боковой иоверхности; деформируется под действием осевой нагрузки (разницы внешнего и внутреннего давления). Передаточный механизм связан с указателем, либо деформация воспринимается вторичным преобразователем. Кроме сильфонов из цельнотянутой трубки применяются сварные сильфоны
X
4 Eh
<*в + *н)2"
X
i4e-«*,+a2M2+B0h2/«2
р— усилие, действующее вдоль оси снльфона; Е — модуль упругости материала сильфона; h— толщина стенки трубки; п — число рабочих гофр; А0, Ait А& В0 — коэффициенты, зависящие от геометрии сильфона; RB, Ян — внутренний и наружный радиусы сильфона. В сочетании с цилиндрическими винтовыми пружинами:
1=Р
Eh:i — \iz (Ал — A&l 4- «И • +
t=k ГА
. 1 -у Gdi
8 D3n
G—модуль упругости материала пружины при сдвиге; d—диаметр проволоки пружины; D—средний диаметр пружины; п — количество витков пружины; k — количество пружин
От ±10 Па
До 107 Па
Гистерезис, нелинейность. Разброс упругих характеристик из-за невоспроизводимости свойств
материала и качества изготовления сильфонов ±(0,6—1.5 (4)) %
Все модификации приборов для измерения и преобразования давлений, как упругое соединение в трубопроводах, уплотнители, упругие разграничители сред. Материалы: латунь Л80, бронза Бр ОФ6; 5—0,4, бронзы Бр Б2, Бр Б2, 5, сталь 1X18H9T специальные дисперсионно-твердеющие сплавь
При использовании преобразователей давлений с упругими элементами в разнообразных промышленных измерительных устройствах следует учитывать их динамические характеристики. С точки зрения динамических свойств преобразователь давления с упругим элементом представляется апериодическим звеном первого порядка. Его инерционность определяется главным образом временем перемещения вещества в подводящем трубопроводе.
В тех случаях, когда значение чувствительности упругого элемента мало, а также для передачи значений измеряемого давления на расстояние (с помощью унифицированных сигналов) используются измерительные преобразователи. Наибольшее распространение нашли унифицированные преобразователи ГСП: пневмосиловые, электросиловые и частотно-силовые (см. гл. 9, 9.1).
В качестве вторичных преобразователей часто применяют тензорезисторы. Тензорезисторы бывают проволочные, фольговые и полупроводниковые. Устройство наиболее распространенного проволочного тензорезистора схематически представлено на рис. 4-2, а.
На полоску бумаги 2, называемую подложкой, наносят зигзагообразно тонкую проволоку 3 (диаметром 0,02—0,03 мм), к концам которой приваривают или припаивают контакты / из металлической фольги. Все это заливают клеем. Сверху проволоку часто заклеивают тонкой бумагой 4 для предохранения от механических повреждений. Для изготовления проволок используют константан, нихром, платиноиридиевый сплав и другие сплавы.
Величина 10 (см. рис. 4-2, а) называется базой преобразователя. Обычно база равна 8—15 мм. Однако в специальных случаях применяют тензорезисторы и с меньшей (до 2,5 мм) или большей базой. Ширину а преобразователей выбирают от 3 до 10 мм, а их сопротивление составляет 50—150 Ом. Когда Размеры преобразователя не ограничиваются условиями исследования, длину базы увеличивают до 100—140 мм, а сопротивление — до 800—1000 Ом.
но
Образованная указанным способом решетка проволоки приклеивается к исследуемой детали 5 и воспринимает деформацию последней. Вместе с деформацией детали деформируется и проволока, тем самым изменяется сопротивление преобразователя вследствие явления тензоэффекта. Входной величиной преобразователя является деформация, выходной — изменение сопротивления.
Тензорезисторы, будучи наклеенными на деталь, связанную с упругим чувствительным элементом, или сам элемент реагируют на измеряемое давление Р (или силу, или деформацию) изменением электрического сопротивления. Коэффициент тен-зочувствительности k зависит от относительного изменения со-
Рис. 4-2
противления AR/R и относительной деформации Al/l проволоки,
Д R/R
из которой он изготовлен: fe= — . Значение коэффициента k
для различных металлов лежит в пределах 0,5—4.
Как известно, в металлах значение относительной деформации Al/l в пределах упругих деформаций не превышает 2,5 ■ 10~3, что при значениях коэффициента тензочувствительности k, равных 0,5-=-4, приводит к значениям AR/R = (I,254-10) • Ю-3. Таким образом, относительное изменение сопротивления преобразователей не превосходит 1 % при предельных напряжениях в металлах. В связи с этим сопротивление преобразователя не должно изменяться во времени от влияния внешних факторов более чем на сотые доли процента. Основные.требования, предъявляемые к материалу проволоки, следующие: возможно большее значение k, малый температурный коэффициент сопротивления, высокое удельное электрическое сопротивление (при заданном значении /0 стремятся получить возможно большее сопротивление преобразователя).
Температурные коэффициенты линейного расширения проволоки и материала объекта, на который наклеивается преобразователь, должны быть близки по значению, иначе может появиться температурная погрешность.
Погрешности тензорезисторов во многом зависят от точности их градуировки'. При градуировке партии тензорезисторов по среднему значению k, которое определяется для выборки из нескольких датчиков, погрешность градуировки не превышает ±1,5%. В силу незначительной тензочувствительности по сопротивлению эти преобразователи обладают сравнительно большой температурной погрешностью. Последняя вызывает необходимость применения мостовых измерительных цепей для измерения выходного сопротивления тензорезисторов с дифференциальным включением тензопреобразователей.
Рассмотрим один из примеров использования тензорезисторов в приборах для измерения давления.
Манометр типа ЭДД-22, схема которого приведена на рис. 4-2,6, в качестве упругого чувствительного элемента имеет мембрану /. Прогиб мембраны под действием измеряемого давления преобразуется в прямо пропорциональное давлению перемещение свободного конца плоской пружины 2. На верхней и нижней плоскостях этой пружины наклеены тензорезисторы 3, один из которых работает на растяжение, другой на сжатие.
Тензорезисторы включены в мостовую цепь, питающуюся от специального генератора. Сигнал с мостовой цепи поступает на электронный усилитель, демодулятор и измеряется магнитоэлектрическим прибором. Такие устройства получили название тензостанций и изготовляются для одновременного измерения тензоэффекта во многих точках.
Тензоманометр типа ЭДД-22 предназначен для измерения давления от 0,1 до 0,6 МПа. Основная приведенная погрешность его составляет ±1,5 %•
Тензорезисторы находят применение в измерительных системах, не требующих предварительного преобразования давления в перемещение. Они могут быть наклеены на мембраны, силь-фоны, трубки Бурдона и т. п., а также непосредственно на стенки исследуемого объекта. Такой способ применяют в целлюлозно-бумажном производстве при измерении массы варочного котла. В этом случае тензометры наклеивают на опоры котла.
В приборах для измерения давления в качестве вторичных преобразователей используются также индуктивные и емкостные преобразователи.
1 Тензорезисторы не могут градуироваться индивидуально, так как являются элементами однократного использования. |
В индуктивных преобразователях плоская мембрана из стали или пермаллоя прогибается под действием измеряемого давления, изменяя величину воздушного зазора между ней и магнитопроводом с катушкой. Это приводит к изменению магнитного сопротивления, а следовательно, магнитной индукции преобразователя и его индуктивности [46].
Емкостные преобразователи основаны на изменении электрической емкости между подвижным электродом в виде упругого элемента (плоской мембраны) и неподвижным электродом под действием измеряемого давления [46].
Индуктивность и емкость на выходе этих преобразователей может быть измерена в аналоговой или цифровой форме. Последняя имеет ряд существенных преимуществ: высокую точность измерительных приборов, помехоустойчивость, значительную выходную мощность и т. д. ([45], гл. 9). С целью получения частотного сигнала на выходе емкостный или индуктивный пре образователи могут быть включены в цепь колебательного кон тура электронного генератора [45]. Добротность электрических колебательных контуров невелика (3—100).
Для преобразования давления в частотный сигнал целесообразнее использовать механические колебательные системы, добротность которых достигает десятков тысяч. Такие колебательные системы могут быть созданы с помощью струны, плоской или цилиндрической трубки и других элементов. Частота колебаний струны, соединенной с мембраной, или тонкостенной трубки определяется напряженностью упругого элемента, т. е. давлением, которое воздействует на мембрану или трубку. Для возбуждения колебаний частотных датчиков и преобразования механических колебаний в выходной электрический сигнал необходимы специальные устройства — возбудители и приемники колебаний, которые часто совмещаются в одном устройстве, называемом обратимым преобразователем. Для создания в частотном преобразователе автоколебаний образуют замкнутую систему, в которую, кроме преобразователя и устройств возбуждения и приема колебаний, входит электронный усилитель. Такая замкнутая система называется генератором автоколебаний. Выходная частота генератора определяется резонансной частотой колебательной системы измерительного преобразователя (струны или трубки). Схемы некоторых частотных преобразователей давления приведены на рис. 4-3.
Трубчатая колебательная система образована плоской трубкой 2, укрепленной в корпусе 1 консольно (рис. 4—3,а). При изменении измеряемого избыточного давления внутри трубки будет меняться частота f собственных колебаний консольной трубки длиной I. При соответствующем подборе размеров системы можно получить практически линейную характеристику зависимости частоты от давления. В качестве возбудителя и приемника (обратимого электромеханического преобразователя) применена поляризованная электромагнитная система 3 и 4.
Другая разновидность частотного преобразователя давления показана на рис. 4-3, б. Здесь измеряемое давление воспринимается тонкостенной трубкой / цилиндрической формы. Непрерывные колебания трубки возбуждаются двумя взаимно-перпендпкулярными электромагнитами 2, связанными усилителем 3, с ча-
стотой
где fo — частота колебаний при Р=0; Р0 — постоянная величина, имеющая размерность давления.
Частотный сигнал с рассмотренных преобразователей поступает в измерительное устройство типа электронного цифрового частотомера, шкала которого градуируется в значениях измеряемого давления.
Рис. 4-3
До сих пор рассматривались приборы, построенные по методу прямого измерения давления. Их широкое распространение обусловлено простотой, надежностью и малой стоимостью. [Однако точность таких приборов во многом определяется погрешностями первичного преобразователя давления, упругого Рлемента, которые не могут быть ниже определенного предела.
.Повысить точность измерения давлений удается путем построения манометров по методу уравновешивающего преобразования. Рассмотрим некоторые из них.
I Цифровой сильфонный манометр, построенный по методу шРавновешивания с помощью электросилового компенсационного устройства, представлен на рис. 4-4. Прибор состоит из ратчика и измерительного устройства. Усилие Fx, возникающее | сильфоне под действием измеряемого давления Рх, вызывает ■«значительное перемещение подвижного элемента магнито-
электрического обратного преобразователя ОП. С ним жестко связана подвижная пластина емкостного индикатора рассогласования ИР, который включен в мостовую цепь с напряжением питания £/~. Возникающее при перемещении подвижной верхней пластины ОП напряжение разбаланса мостовой цепи ALL, усиливается электронным усилителем и выпрямляется фазочув-ствительным демодулятором ФЧД. Постоянное напряжение AU^ в широтно-импульсном модуляторе ШИМ преобразуется в пропорциональное ему значение ширины импульсов t. С помощью ключа К отрезки времени заполняются стабильной частотой f0 от задающего кварцевого генератора Г. Число импульсов ча-
Рис. 4-4
стоты /о пропорционально Рх и подсчитывается в счетчике С (цифровой выходной сигнал).
На основе стабилизатора опорного тока СТ /0 в ключе К осуществляется преобразование частоты в средний ток /р, поступающий в уравновешивающий обратный магнитоэлектрический преобразователь ОП [45]. Ток /р, взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита, создает усилие fp, уравновешивающее усилие Fx- Изменение постоянного тока /р может служить аналоговым выходным сигналом.
Основная приведенная погрешность цифрового манометра ±0,2%. Прибор может работать в диапазоне температур от 10 до 40 °С. Температурная погрешность манометра не более 0,1 % на 10 °С.
Дифманометры сильфонные типа ДС-Э и ДС-П, входящие в систему ГСП, также построены по методу силовой компенсации. Схема преобразователя перепада давлений в стандартнын сигнал типа ДС-Э приведена на рис. 4-5. Под действием измеряемого перепада давлений на чувствительном элементе 1 возникает усилие, пропорциональное измеряемому перепаду, которое через систему рычагов 2, 4, 3 воздействует на индикатор рассогласования 5. Сигнал с последнего через усилитель 6 поступает в устройство обратной связи 7 (состоящее из магнитоэлектрического преобразователя, подвижная часть которого связана с системой рычагов 3, 4 и 2) и одновременно в линию дистанционной передачи выходного стандартного сигнала. Усилие, развиваемое в устройстве обратной связи, увеличивается до тех пор, пока не наступит баланс воздействующих на рычаги сил. Выходной сигнал изменяется в пределах 0—5 мА. Основная приведенная пбгрешность датчиков составляет ±(0,6—1)%.
В отличие от рассмотренных дифманометров датчики типа ДС-ЭР предназначены для измерения расхода. Дифманометры-•расходомеры снабжены квадратичными преобразователями, дающими выходной сигнал постоянного то-Ца 0—5 мА, пропорциональный величине измеряемого расхода.
4.4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ I МАНОМЕТРЫ
Электрические маномет-
ры основаны на физических
Г явлениях, в которых прояв-
ляется зависимость свойств
[Шибо электрических, либо
легко преобразуемых в
■.электрические от воздейст-
вующего давления. Исполь-
зуя эти явления, создают
первичные измерительные
преобразователи давления в Рис. 4-5
электрический сигнал. К
.ним относятся: омические, пьезоэлектрические, магнитоупру-гие, тепловые, ионизационные, радиоизотопные манометры е преобразованием давления в электрический сигнал.
Омические манометры (манометры сопротивления, Цили резистивные) применяются для измерения высоких давлений. В качестве первичного преобразователя в этих приборах часто используется манганиновый проводник. Преимущество манганина перед другими материалами для манометров заключается в его ничтожно малом температурном коэффициенте [Электрического сопротивления, что обеспечивает независимость 'Показаний манометра от температуры измеряемой и окружающей среды. Кроме того, при давлениях в диапазоне от 100 до ь МПа манганиновые преобразователи обладают постоянной |*Тносительной чувствительностью изменения сопротивления под действием давления. В этом диапазоне давлений, как правило, и применяются манганиновые омические манометры.
Один из вариантов конструкции манганинового преобразователя манометра представлен на рис. 4-6. Измеряемое давление подается в камеру, в которой расположена катушка / из манганиновой проволоки, намотанной бифилярно. Одни конец проволоки припаян к медному стержню 4, другой — к гайке 3, изолированной от стержня эбонитовыми втулками 2 и 5. Для герметизации полости с измеряемым давлением предусмотрено уплотнение 7, поджимаемое гайкой 6. Корпус манометра 8 снабжен ниппелем 9 для присоединения манометра к объекту измерения. Основная погрешность преобразования давления в активное сопротивление манганиновой проволоки не превышает ± 1 % от предела измерения давления.
В пьезоэлектрических манометрах используется явление пьезоэффекта — свойство некоторых кристаллических веществ (кварца, титана, цирконата бария, сегнетовой соли, турмалина и др.) создавать электрические заряды под действием механической нагрузки. Явления пьезоэффекта достаточно полно освещены в литературе [46].
Пьезоэлектрические преобразователи представляют собой генераторные преобразователи: их входной величиной является сила, а выходной — количество электричества.
Заряд, возникающий на гранях пьезоэлемента под действием внешних сил, сохраняется лишь при отсутствии утечки, т. е. при бесконечно большом входном сопротивлении измерительно» цепи. Так как это условие практически невыполнимо, для статических измерений сил и давлений пьезоэлектрические преобразователи не используют.
При действии переменных сил количество электричества восполняется и становится возможным потребление некоторого тока измерительной цепью. Поэтому эти преобразователи применяются исключительно для измерения переменных значений давления в частотном диапазоне от 20 до 7000 Гц.
Преимущественное применение в пьезоэлектрических манометрах получили кварцевые преобразователи. Они отличаются большой механической прочностью, удовлетворительными пьезоэлектрическими и высокими изоляционными свойствами, а также стабильностью пьезоэлектрической характеристики при изменении температуры в широких пределах и во времени.
Один из вариантов конструктивного исполнения преобразователя пьезоэлектрического манометра на основе кристалла кварца показан на рис. 4-7. Измеряемое давление в полости, ограниченной корпусом / и гайкой 2, действует на плоскую мембрану 3, деформация которой через металлическую шайбу 4 передается нижней кварцевой пластине 5. Другая кварцевая пластина расположена сверху плитки 6 и поджимается к последней через металлическую шайбу 7 и шарик 8 гайкой 9, представляющей собой крышку. К плитке 6 припаян проводник, выводимый через втулку 10. Кварцевые пластины расположены таким образом, чтобы грани с положительным зарядом имели контакт с шайбами 4 и 7, а с отрицательным зарядом — с плиткой 6. Измерительным прибором может служить, например, ламповый вольтметр постоянного тока в сочетании с электронным осциллографом [46]. Основная приведенная погрешность измерения пьезоэлектрическими манометрами составляет около ±2 %.
Главными составляющими погрешности пьезоэлектрических преобразователей являются: погрешность вследствие неправильной (по отношению к градуировочной) установки пластин пьезоэлемента; погрешность, вызванная изменением параметров измерительной цепи (в первую очередь входной емкости); погрешность, связанная с чувствительностью пьезоэлемента к силам, действующим поперек измеряемой; температурная погрешность от изменения под действием температуры пьезоэлектрической постоянной; частотная погрешность, появляющаяся за счет Дифференцирующих свойств пьезоэлектрических преобразователей [46].
В связи с тем, что выходное (внутреннее) сопротивление пьезоэлектрического преобразователя велико, а развиваемая им Мощность чрезвычайно мала, выходное напряжение преобразо-вателя требует усиления. Поэтому в качестве вторичного измерительного преобразователя (измерительной цепи) используют Усилители с общим входным сопротивлением (108—10м Ом).
Магнитоупругие манометры построены на основе магнитоупругих преобразователей давления в электрический сигнал.
Магнитоупругий эффект возникает при изменении магнитной проницаемости некоторых материалов под влиянием механических напряжений или деформаций. Если из такого материала выполнить сердечник и на нем разместить обмотку (или две трансформаторные обмотки), то индуктивное электрическое сопротивление обмотки (или вторичной обмотки) будет меняться при изменении магнитной проницаемости сердечника, т. е. при изменении внешней механической нагрузки. Таким образом, магнитоупругие преобразователи аналогичны по своим свойствам индуктивным и взаимоиндуктивным преобразователям.
Дата добавления: 2015-06-22; просмотров: 1471;