|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Таблица 2 3 страницаПриборы для измерения давления и разрежения классифицируют по принципу действия и по характеру измеряемой величины. Согласно первой классификации все приборы для измерения давления подразделяют на четыре группы: жидкостные, деформационные, грузопоршневые и электрические. В жидкостных приборах измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, высота которого определяет значение давления. Деформационные приборы – это такие приборы, в которых измеряемое давление определяется значением деформации упругих элементов различной конструкции или значением развиваемой ими силы. В грузопоршневых приборах измеряемое давление уравновешивается давлением, создаваемым массой поршня или дополнительного груза. Работа электрических приборов основана на изменении электрических свойств определенных материалов при воздействии на них внешнего давления. По характеру измеряемой величины приборы для контроля давления или разрежения подразделяют на следующие виды: барометры (для измерения атмосферного давления), манометры (для измерения избыточного давления), дифференциальные манометры (для измерения разности давления); вакуумметры (для измерения разрежения); моновакуумметры (измеряющие небольшое избыточное давление или вакуум). Манометры, вакуумметры и дифференциальные манометры, предназначенные для измерения небольшого давления, разрежения и разности давления газовых сред (до 40 кПа), называют напоромерами, тягомерами и тягонапоромерами (соответственно).
2. МАНОМЕТРЫ Жидкостные манометры отличаются простотой устройства при относительно высокой точности измерения. Их действие основано на уравновешивании внешнего давления столбом затворной (рабочей) жидкости, в качестве которой используют ртуть, воду, трансформаторное масло иди спирт. U-образный манометр (рис. 64, а) представляет собой стеклянную трубку, изогнутую в виде буквы U и заполненную затворной жидкостью так, чтобы уровень жидкости в обоих коленах находился против нулевых отметок. Один конец трубки подсоединяется к объему, в котором необходимо измерить давление Р, а второй сообщается с атмосферой. Отсчет производится по шкале. Разность уровней h определяет избыточное давление Р и плотность жидкости γ. Верхний предел измерения U-образного манометра составляет 10 кПа. При этом погрешность не превышает 2 %. U-образные манометры используют для измерения разрежения или разности давлений. Основным недостатком U-образных манометров является необходимость снятия при каждом замере двух отсчетов. Этот недостаток частично устранен в чашечном манометре (рис. 64, б), состоящем из сосудов разного диаметра. Под действием измеряемого давления Р уровень жидкости в чашке снижается на высоту h2, значительно меньшую высоты h1 (диаметр чашки в несколько раз больше диаметра трубки). Разность уровней h в чашечном манометре в основном определяется перемещением мениска в тонкой трубке, так как h1 >> h2. Рис. 64. Жидкостные манометры: а – U-образный; б – чашечный однотрубный; в – чашечный с наклонной трубкой Рис. 65. Чувствительные элементы деформационных манометров: а – одновитковая пружина; б – многовнтковая пружина; в – упругая мембрана; г – мягкая мембрана (пружинно-мембранный элемент); о – одинарная мембранная коробка; е – двойная мембранная коробка; ж – сильфон; э – пружинио-сильфонный элемент
Чашечные манометры имеют верхний предел измерения 10 кПа, а погрешность измерения составляет 0,4 ... 0,25 %. При точных измерениях небольших избыточных давлений и разрежений применяют специальные чашечные манометры с наклонной трубкой (рис. 64, в). Изменение угла наклона α трубки позволяет при малой высоте h1 получить более точное измерение. Жидкостные стеклянные манометры не приспособлены для записи показаний и их дистанционной передачи. Поэтому их используют, в основном, для местного контроля, а также для поверки и градуировки манометров других систем. Работа деформационных манометров основана на уравновешивании давления среды силами, возникающими при упругой деформации специальных элементов. Деформация в виде линейных или угловых перемещений передается показывающему или регистрирующему узлу прибора. Одновременно она может быть преобразована в электрический или пневматический сигнал для дистанционной его передачи. В качестве чувствительного элемента в этих манометрах (рис. 65) используют одно- и многовитковые пружины, упругие мембраны и сильфоны. В одно- и многовитковых пружинных манометрах (рис. 65, а, б) измеряемое давление подается во внутреннюю полость через закрепленный неподвижный конец. Второй конец пружины запаивается и соединяется с показывающей системой. Пружины изготовляют из латуни и других медных сплавов, а для высоких давлений – из хромоникелевых сталей. Поперечное сечение пружины представляет собой эллипс, большая ось которого перпендикулярна к плоскости витка пружины. При повышении давления поперечное сечение пружины «округляется», т. е. увеличивается малая ось эллипса, а угол закручивания пружины уменьшается. Шкала пружинного манометра равномерная, так как пружина работает в зоне пропорциональности между деформацией и напряжением. Перемещение свободного конца одновитковой пружины не превышает 5 ... 8 мм. Поэтому для увеличения угла поворота стрелки в манометрах применяют передаточный механизм: рычажный или зубчатый. Манометры с одновитковой пружиной изготовляют образцовыми, контрольными и техническими: классы точности – от 0,2 до 4,0; пределы измерений 100 кПа ... 1000 МПа. Многовитковая трубчатая пружина представляет собой последовательное соединение нескольких одновитковых пружин, благодаря чему она имеет сравнительно большое перемещение свободного конца и развивает значительные усилия. Поэтому многовитковые пружины широко применяют в регистрирующих манометрах. Последние выпускают с верхним пределом измерения до 160 МПа. В мембранных манометрах чувствительным элементом являются упругая мембрана (рис. 65, в), мягкая мембрана, например резиновая с дополнительной пружиной (рис. 65, г), мембранные коробки: одинарные (рис. 65, д) и двойные (рис. 65, е). Мембранный манометр типа ММ (рис. 66) предназначен для измерения давления до 2,5 МПа. В манометре под действием измеряемого давления мембрана 2, находящаяся в коробке 1, прогибается, перемещая шток 3, соединенный через рычаг 4 с зубчатым сектором 6. Зубчатый сектор находится в зацеплении с зубчатым колесом 8, которое через пружину, 9 соединено со стрелкой 7, перемещающейся по шкале 5. Снизу у манометра предусмотрен резьбовой штуцер для установки манометра на объект измерения. Мембранные манометры применяют, как правило, для измерения небольших давлений. Недостатками мембранных манометров являются малая чувствительность системы, трудность регулировки и изменение характеристик во времени вследствие «усталости мембраны». Рис. 66. Мембранный манометр Манометры с упругими мембранными коробками применяют для измерения атмосферного давления и называются барометрами- анероидами. Атмосферное давление воздействует на герметически закрытую мембранную коробку, во внутренней полости которой создан вакуум. Для изготовления мембран используют бронзу, латунь и хромоникелевые сплавы. Принцип действия сильфонных манометров основан на уравновешивании измеряемого давления силами упругой деформации чувствительного элемента, выполненного в виде сильфона (см. рис. 65, ж, з). Последний представляет собой тонкостенную цилиндрическую емкость с поперечной гофрировкой. Сильфоны изготовляют из фосфористой бронзы или коррозионно-стойкой стали. Толщина стенки сильфона колеблется в пределах 0,1 ... 0,3 мм, а диаметр изменяется от 8 до 150 мм. Упругая характеристика сильфонов практически линейна. Для увеличения жесткости внутри сильфона размещают винтовую пружину (см. рис. 65, з). Манометры с сильфоном выпускают для измерения давления и перепада давлений в пределах 25 ... 400 кПа и разрежения – 0 ... 98 кПа. Принцип действия грузопоршневых манометров основан на уравновешивании давления калиброванным грузом. Их применяют для измерения высоких давлений (до 1000 МПа) и используют в качестве образцовых и контрольных приборов (классы точности приборов 0,02; 0,05; 0,2). Применение поршневых манометров для технических измерений крайне ограничено. Рассмотрим устройство грузопоршневого манометра, предназначенного для поверки рабочих манометров и контрольных измерений (рис. 67). Стальной сосуд 14 через воронку 10 и игольчатый клапан 9 заполняют трансформаторным маслом. В вертикальном цилиндре 7 выполнен канал, в который вставлен шлифованный поршень 6 с тарелкой для груза 5. Штуцеры 11 и 3 предназначены для ввертывания поверяемых манометров 4. Игольчатые вентили 1, 2, 12 служат для перекрытия каналов, а вентиль 8 для спуска масла. Рабочее давление в сосуде определяется массой груза 5. Перемещение поршня 13 вызывает подъем поршня 6 с грузом. Электрические манометры используют главным образом для измерения сверхвысоких и пульсирующих с высокой частотой давлений. Работа электрических манометров основана на зависимости электрических характеристик чувствительных элементов от давления. К числу таких приборов можно отнести пьезоэлектрические, индукционные и тензометрические манометры. В пьезоэлектрических манометрах используется пьезоэлектрический эффект, под которым понимают появление электрических зарядов на поверхности ряда кристаллических диэлектриков при их деформации. К числу таких диэлектриков принадлежат кварц, сегнетова соль, турмалин, титанат бария и керамика ЦТС (цирконат-титанат свинца). Достоинством пьезоэлектрических манометров является малая инерционность, поэтому их применяют для измерения давлений, пульсирующих с высокой частотой. Рис. 67. Схема грузопоршневого манометра Рис. 68. Схема индуктивного (индукционного) манометра У манометров с электрическим индуктивным выходом давление, измеряемое упругим чувствительным элементом, преобразуется в электрический сигнал, передаваемый индуктивным преобразователем на вторичный прибор. Наиболее распространенным манометром этого типа является электрический дистанционный манометр МЭД. В корпусе диаметром 160 мм помещены держатель с трубчатой одновитковой пружиной, передаточный механизм и индукционная катушка. Давление Р контролируемой системы (рис. 68) подводится к трубчатой пружине 1 через радиальный штуцер и, вызывая ее деформацию, перемещает магнитопровод 3 индукционной катушки. Каждому значению измеряемого давления соответствует определенное положение магнитопровода в катушке. Катушка 2 манометра и катушка вторичного прибора 4 включены по дифференциально-трансформаторной схеме. Выходной параметр прибора – взаимная индуктивность между первичными и вторичными цепями трансформатора. Чем больше погружен магнитопровод, тем большее напряжение подводится во вторичной обмотке и поступает по вторичному прибору. Индукционные манометры работают в комплекте со вторичными взаимозаменяемыми приборами и системами централизованного контроля и регулирования. Манометры МЭД выпускают с верхним пределом показаний 160 МПа и классами точности 1 и 1,5. Тензометрические манометры имеют в качестве чувствительного элемента мембрану с наклеенными на нее тензорезисторами. Их принцип действия заключается в непосредственном преобразовании деформации упругой мембраны под воздействием давления в изменение электрического сопротивления резисторов. Таблица 9 Технические характеристики показывающих и сигнализирующих манометров
Давление в манометре измеряется с помощью схемы неуравновешенного моста, плечами которого являются тензорезисторы. В результате деформации мембраны под воздействием измеряемого давления возникает разбаланс моста в виде напряжения, которое с помощью встроенного в корпус манометра электронного усилителя преобразуется в электрический выходной сигнал. Верхний предел показаний манометра 40 МПа, класс точности 0,6; 1,0; 1,5. В табл. 9 приведены технические характеристики манометров, получивших наибольшее распространение. 3. ТЯГОНАПОРОМЕРЫ Тягонапоромерами называют приборы, предназначенные для измерения небольших разрежений и избыточных давлений, тяги дымососов и напоров вентиляционных систем. Они представляют собой разновидность группы приборов для измерения давления, но имеют некоторые специфические особенности, которые и рассматриваются далее. По принципу действия тягонапоромеры подразделяют на жидкостные, мембранные и сильфонные. Жидкостные тягонапоромеры выполняют в форме U-образных, чашечных с вертикальной измерительной трубкой, чашечных с наклонной измерительной трубкой, кольцевых весов и колокольных приборов. Наиболее широко применяют чашечные приборы. Тягонапоромер ТНВ является чашечным микронапоромером с вертикальной измерительной трубкой. Затворной рабочей жидкостью служит дистиллированная вода, подкрашенная эозином натрия. Пределы измерения 0 ... 1,6 кПа. Основная погрешность прибора ±1,5 %. Тягонапоромер ТНЖ-Н является чашечным микронапоромером с наклонной измерительной трубкой. В качестве затворной жидкости применяемся этиловый спирт. Наклонное расположение измерительной трубки позволяет получить растянутую шкалу и благодаря этому измерять малые давления. Особенностью данного прибора является возможность изменения угла наклона измерительной трубки, что позволяет варьировать чувствительность и пределы измерения прибора. Пределы измерения прибора: 0 ... 0,4 кПа; 0 ... 0,63 кПа; 0 ... 1,0 кПа; 0 ... 1,6 кПа. Основная погрешность прибора при нормальной температуре не превышает ±1,5 % от верхнего предела измерений. Чашечные тягонапоромеры применяют для измерения тяги и напора в топках топливных, плавильных и термических печей и вентиляторов низкого давления. Кольцевые весы можно использовать в качестве тягонапоромеров. В отличие от U-образных и чашечных приборов они являются стрелочными приборами, могут регистрировать значения измеряемых параметров и передавать показания с помощью электрических систем на расстояние. Чувствительным элементом такого прибора (рис. 69) является плоское металлическое кольцо 1, имеющее в верхней части перегородку 2, которая разделяет внутреннюю полость кольца. С двух сторон перегородки к кольцу подсоединены две резиновые трубки. Одна трубка соединяется с объемом, в котором измеряется давление Р, а другая – с атмосферой. Кольцо с помощью перекладины 3 подвешено на Призматической опоре 4. В нижней части кольца закреплен груз 5. Рис. 69. Схема кольцевого манометра (тягонапоромера) Рис. 70. Схема самопишущего колокольного тягонапоромера Если давления с двух сторон перегородки кольца равны (Р = Ратм), то оно находится в равновесии и стрелка 7 занимает нулевое положение (рис. 69, а). Если измеряемое давление больше атмосферного (Р1 > Ратм), то уровень жидкости с правой стороны повышается, а с левой – понижается. Кольцо 1 поворачивается по часовой стрелке, пока груз не уравновесит кольцо в новом положении (рис. 69, б). Вместе с кольцом поворачивается и стрелка, которая показывает на шкале значение измеряемого напора. Поскольку измеряемое давление пропорционально синусу угла отклонения кольца, шкала получается неравномерной. Для устранения этого недостатка, т. е. для получения равномерной шкалы, передачу от кольца к стрелке осуществляют с помощью рычага и специального профилированного лекала 6. При измерении тяги (разрежения) места подключения трубок меняют между собой. В качестве затворной рабочей жидкости используют дистиллированную воду или трансформаторное масло. Плотность жидкости ограничивает верхний предел измерения. Для приборов с водяным заполнением он составляет 1600 Па, а для приборов с масляным заполнением – 1000 Па. Колокольные тягонапоромеры являются бесшкальными первичными измерительными приборами, которые предназначены для измерения тяги и напора, а также разности давлений неагрессивных газов при весьма низких статических давлениях. В этом приборе (рис. 70) чувствительным элементом являются два колокола 1, подвешенные на коромысле 2 и погруженные в бак 3 с трансформаторным маслом. Одна из камер 4 под колоколом сообщается с атмосферой, а другая – с измеряемым давлением. Уравновешивающий момент создается пружиной 5. При изменении измеряемого давления Р равновесие коромысла нарушается, и оно поворачивается. Это фиксируется показывающей и записывающей системами прибора 6. Верхний предел показаний при двусторонней шкале 80 Па, класс точности 2,5. Таблица 10 Технические характеристики тягомеров, напоромеров и тягонапоромеров
Промышленность выпускает также колокольный тягонапоромер типа ДКОФМ с ферродинамическим преобразователем, диапазоном напора 40 ... 400 Па и тяги ±32 ... 200 Па. Наибольшее распространение получили мембранные тягонапоромеры, принцип действия которых основан на использовании зависимости между упругой деформацией мембраны (чаще мембранной коробки) и измеряемым давлением. Преимуществами приборов этого типа являются простота устройства, небольшие размеры, наглядность показаний и удобство размещения на щитах управления. Промышленность выпускает приборы типа НМП-52; ТММП-52; ТНМП-52 с пределом измерения до 25 кПа у напоромеров, до 40 кПа у тягомеров и классами точности 1,5 и 2,5 (табл. 10). Мембранные напоромеры применяют для измерения разрежений воздуховодов рушильных аппаратов, топок топливных печей и напоров вентиляционных систем. Сильфонные тягонапоромеры предназначены для измерения и записи давления или разрежения воздуха и неагрессивных газов. Принцип их действия основан на уравновешивании измеряемого давления суммой сил деформации сильфона и винтовой цилиндрической пружины рис. 71). Измеряемое давление через штуцер 1 подводится к корпусу прибора 2, внутри которого установлен сильфон 3. Для увеличения жесткости сильфон снабжен дополнительной пружиной 4, помещенной внутри него. Под влиянием измеряемого давления сильфон 3 сжимается, преодолевая усилие пружины 4, и перемещает шток 5. Последний через передаточный механизм воздействует на стрелку 6 с установленным на ней пером для записи. Рис. 71. Схема сильфонного напоромера типа МС
4. ВАКУУММЕТРЫ Вакуумметрами называются приборы, предназначенные для измерения давления разреженных газов. Обычно вакуумметрами считают приборы, измеряющие давление менее 10 Па. Диапазон давлений, измеряемых в металлургических цехах вакуумметрами, весьма широк (10 ... 1,33-10–11 Па) и не может быть измерен одним прибором. Это обстоятельство и разнообразие эксплуатационных требований, предъявляемых к вакуумметрической аппаратуре, определили необходимость выпуска большого числа типов вакуумметров. Все выпускаемые вакуумметры состоят из измерительной установки (блок измерения) и манометрического преобразователя, с помощью которого значение измеряемого разрежения преобразуется в электрический сигнал. Вакуумметры настроены на измерения давления (разрежения) сухого воздуха. Поэтому при измерении разрежения других газов приходится проводить индивидуальную градуировку вакуумметров или использовать переводные коэффициенты. Требования к точности измерения низких давлений в большинстве случаев невысоки. Поэтому значительная часть выпускаемых вакуумметров является индикаторными приборами. Многие вакуумметры могут служить первичными преобразователями автоматических систем, которые одновременно с сигнализацией о достижении или превышении определенного давления управляют различными исполнительными механизмами. Такие вакуумметры могут иметь аналоговый выход на ЭВМ. Блокировочные вакуумметры осуществляют управление (блокировку) по давлению при разрывной мощности контактов не более 50 Вт для цепей постоянного тока и 500 Вт для цепей переменного тока. Большинство вакуумметров имеет электрический выходной сигнал, который может использоваться для записи на электронном потенциометре или в системах автоматики. В зависимости от принципа действия манометрического преобразователя вакуумметры делят на тепловые, ионизационные и электроразрядные. Тепловые вакуумметры оснащены манометрическими преобразователями, действие которых основано на зависимости теплопроводности разреженных газов от давления. Устройство такого типа изображено на рис. 72. Стеклянный баллон 1 соединен системой, в которой измеряется вакуум. Внутри баллона имеется нагреватель 3, через который пропускается ток (10 ... 100 мА). Температура нагревателя 75 ... 400 °С и зависит от теплопроводности окружающего газа. При атмосферном давлении теплопроводность газа практически не зависит от давления. Однако при давлении ниже 1,3 кПа теплопроводность понижается при снижении давления. Рис. 72. Схема теплового вакуумного вакуумметра Рис. 73. Схема ионизационного вакуумметра Рис. 74. Схема магнитного электроразрядного вакуумметра
Молекулы газа, ударяющиеся о нагреватель, переносят энергию от нагревателя к стенкам баллона. Следовательно, установившаяся температура нагревателя будет определяться скоростью молекул газа, сталкивающихся с ним. При понижении давления нагреватель будет терять тепло медленнее, так как в газе с понижением давления уменьшается число способных переносить теплоту молекул. Соответственно этому температура нагревателя будет повышаться. Температуру нагревателя измеряют двумя способами: термопарой 2, укрепленной на нагревателе, или посредством измерения его сопротивления. Промышленность выпускает приборы типов ВТ-3, ВТ-8, ВСБ-1 и др. Вакуумметр ВТ-3 предназначен для работы в лабораторных условиях. Он состоит из измерительной установки и одного из трех термопарных манометрических преобразователей: ПМТ-2 в стеклянном корпусе; ПМТ-4М в металлическом корпусе или МТ-8, выполненного на фланцевом основании. В режиме постоянства тока накала нити (в диапазоне 0,133...1,33 Па) давление определяется по термоЭДС термопары. Определение давления в режиме постоянства термоЭДС (в диапазоне 1,33 ... 6,675 · 102 Па) ведется по току накала нити.
Таблица 11 Технические характеристики промышленных вакуумметров
Вакуумметр ВСБ-1 рассчитан на применение в автоматизированных вакуумных системах. Он работает в паре с манометрическим преобразователем МТ-6. Температура рабочей нити преобразователя поддерживается во всем диапазоне постоянной (220 °С). Величиной, по которой судят о давлении, является напряжение, прилагаемое для нагрева нити. Работа преобразователей ионизационных вакуумметров основана на использовании зависимости интенсивности ионизации газа от давления. Основной частью такого преобразователя (рис. 73) является баллон 2, в котором размещен катод 4, эмитирующий электроны, сетка 3, окружающая катод, и анод 1, охватывающий сетку. На сетке поддерживается положительный по отношению к катоду потенциал (100 ... 200 В), потенциал анода – отрицательный (2 ... 5 В). Электроны, эмитируемые катодом, ускоряются сеткой. Соударяясь с молекулами газа в баллоне, электроны их ионизируют. Образующиеся в пространстве между сеткой и анодом положительные ионы собирает анод, а положительные ионы, образующиеся в пространстве между сеткой и катодом, перемещаются обратно к катоду. Электроны и отрицательные ионы собирает положительно заряженная сетка. Скорость образования ионов пропорциональна количеству газа в баллоне и числу электронов, необходимых для ионизации. Промышленность выпускает ионизационные вакуумметры типов ВН-12 и ВН-14, а также комбинированные вакуумметры ВИТ-2 и ВИТ-3. Ионизационный вакуумметр ВИ-12 предназначен для измерения давления газов в диапазоне 10-8 ... 10-8 Па в лабораторных условиях. Он состоит из переносной измерительной установки и одного из двух манометрических преобразователей: ИМ-112 в стеклянной колбе или МИ-12-8, выполненного на фланце с металлическим уплотнением (табл. 11). Ионизационный вакуумметр ВИ-14 предназначен для измерения давления в диапазоне 13,3 ... 10-8 Па в металлических вакуумных системах. Он комплектуется ионизационным преобразователем МИ-27 и имеет поддиапазонное переключение диапазонов и две обзорные шкалы с диапазонами 10-8 ... 13,3 Па и 10-8 ... 10-8 Па. Для измерения давления в стеклянных системах используется преобразователь ИМ-12. Ионизационно-термопарные вакуумметры ВИТ-2 и ВИТ-3 предназначены для измерения разрежения газов в промышленных условиях. Они представляют собой комбинированные установки, состоящие из электронной системы измерения и ионизационного и термопарного преобразователей. Вакуумметр ВИТ-2 предназначен для измерения давлений в диапазоне 6,66 · 10‑6 ... 2,66 Па, а вакуумметр ВИТ-3 в диапазоне 6,66 · 10-6 ... 1,33 · 102 Па. Вакуумметр ВИТ-2 измеряет давление в диапазоне 1,33·10-1... 26,6 Па с помощью термопарных преобразователей типа ПМТ-2; ПМТ-4М или МТ-8, а в диапазоне высокого вакуума – с помощью ионизационных преобразователей типа ПМИ-2 или ЛМ-3-2.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|