Жидкостные средства измерений давления с гидростатическим уравновешиванием

 

В жидкостных приборах с гидростатическим уравновешиванием меройизмеряемого давления является высота столба рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости, называемой затворной или манометрической, применяются дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт, трансформаторное масло. Выбор рода рабочей жидкости Уделяется диапазоном измеряемого давления, условиями эксплуатации и требуемой точностью измерений. В настоящее время номенклатура жидкостных средств измерений давления с гидростатическим уравновешиванием существенно ограничена. В большинстве случаев они заменены более совершенными деформационными средствами измерений. К числу жидкостных средств измерений давления (разности давлений и разрежения) с статическим уравновешиванием, которые еще применяются на технологических потоках, относятся поплавковые и колокольные дифманометры.

Поплавковые дифманометры. Принцип действия поплавковых дифманометров основан на уравновешивании измеряемого перепада давления гидростатическим давлением, создаваемым столбом paбочей жидкости, заполняющей дифманометр. Поплавковый дифманометр (рис. 4.2, а) представляет собой два сообщающихся сосуда.

 

 

Площадь сечения F широкого сосуда 1 значительно больше пл0 щади сечения f узкого сосуда 7. Внутренняя полость сообщающихся сосудов заполняется рабочей жидкостью (ртутью или трансформаторным маслом) до нулевой отметки. О значении измеряемой разности давлений в этих приборах судят по отсчетному устройству, указатель 3 которого связан с поплавком 2, расположенным во внутренней полости широкого сосуда. При подключении прибора к объекту измерения большее давление подается в сосуд /, а меньшее - в сосуд 7. Подача давления осуществляется через вентили 5 и 6.Вентиль 4 служит для того, чтобы исключить возможность выброса рабочей жидкости при односторонней подаче давления. С этой целью перед подключением прибора к объекту вентиль 4 открывают, а после стабилизации давления в обоих сосудах закрывают. При отключении прибора от объекта необходимо предварительно открыть вентиль 4, а затем закрыть вентили 5 и 6.

В процессе измерения жидкость в широком сосуде перемещается вниз, а вместе с ним перемещается поплавок 2, который через механическую передачу перемещает указатель 3 отсчетного устройства. Перемещение поплавка будет происходить до тех пор, пока измеряемая разность давлений Pi—Р₂ не уравновесится давлением столба жидкости высотой h₁+h₂, т. е.

(4.1)

где g—местное ускорение свободного падения; h₁, h₂—перемеще­ние уровня жидкости в правом и левом коленах; r_ж, — плотность рабочей жидкости; r_с — плотность измеряемой среды.

Принимая во внимание равенство объема жидкости, вытеснен­ного из широкого сосуда, объему жидкости, поступившему в узкий сосуд:

Fh₂=fh₁ (4.2)

преобразуем уравнение (4.1):

. (4.3)

Уравнение (4.3) представляет собой статическую характеристи­ку поплавкового дифманометра, из которой следует: чтобы полу­чать одинаковое перемещение h₂ поплавка при измерении разности давлений в различных диапазонах, необходимо изменять отноше­ние F/f. Практически это достигается заменой узкого сосуда одного диаметра на сосуд другого диаметра. Поплавковые дифманометры имеют несколько сменных сосудов (стаканов), замена которых по­зволяет изменять предельные номинальные перепады давления.

Для поплавковых дифманометров предельный номинальный пе­репад DР_ном связан с максимальным измеряемым перепадом DР=P₂-P₁ соотношением

(4.4)

где r_ж r_с, — плотности рабочей жидкости и среды при температуре 20°С и атмосферном давлении.

Поплавковые дифманометры рассчитаны на номинальные пере­пады давления, верхние пределы которых ограничены значениями от 6, 3 кПа до 0, 10 МПа. Поплавковые дифманометры используются при статических давлениях измеряемой среды не более 25 МПа. Класс точности поплавковых дифманометров 1, 0 и 1, 5. Для пере­дачи на расстояние информации о значении измеряемого перепада давления, рассматриваемые дифманометры оснащаются преобра­зователями П перемещения указателя 3 в унифицированный сигнал измерительной информации. Принцип действия и устройство пре­образователей перемещения рассмотрен в гл. 5.

Передаточные механизмы поплавковых дифманометров, приме­няемых для измерения расхода веществ, оснащаются лекалами, профиль которых рассчитывают по квадратичной корневой зависи­мости. Показания этих поплавковых дифманометров пропорциональны измеряемому расходу.

Высокая точность 'измерений и возможность регистрации показаний без применения специальных источников энергии являются преимуществами дифманометров данного типа. Основным их недостатком является наличие токсичной жидкости — ртути, которая при резких изменениях давления может загрязнять объект измерении или окружающую среду.

Колокольные дифманометры. Дифманометры этого типа представляют собой колокол, погруженный в рабочую жидкость и перемещающийся под влиянием разности давлений. Противодействующая сила создается за счет утяжеления колокола при его подъеме и уменьшении тяжести колокола при его погружении. Достнгается это за счет изменения гидростатической подъемной силы действующей на колокол согласно закону Архимеда.

Принцип действия колокольного дифманометра поясняет рис 4.2, б, в. Если давления в измерительных камерах 2 и 3 равны между собой, то колокол 1 находится в положении, показанном на рис 4.2, б.

Если перепад давлений на колоколе получает некоторое прира| щение d(P₁-Р₂), то колокол всплывает. Всплытие происходит до тех пор, пока изменение подъемной силы от перепада давления на колокол и изменение гидростатической подъемной силы не уравновесятся.

Для состояния равновесия, иллюстрируемого рис. 4.2, в, cпpaвeдливы равенства [14]::

; (4.5)

; (4.6)

; (4.7)

(4.8)

где F—площадь внешнего поперечного сечения колокола; dH - перемещение колокола; dy—перемещение жидкости под колоколом; Df—площадь поперечного сечения стенок колокола; r_ж, r_с, -плотность рабочей жидкости и измеряемой среды; dh—разность уровней жидкости снаружи и внутри колокола; dx—перемещение жидкости в широком сосуде; Ф — площадь поперечного сечения широкого сосуда; f—внутренняя площадь поперечного сечения колокола.

Решая совместно уравнения (4.5)—(4.8), получим зависимость

, (4.9)

которая после интегрирования в пределах от нуля до P₁-P₂ образуется к виду

. (4.10)

Уравнение (4.10) представляет собой статическую характеристику колокольного дифманометра с гидростатическим уравновешиванием. Для обеспечения измерения перепада давления в широком диапазоне значение отношения f/Df должно быть по возможности уменьшено.

Колокольные дифманометры с гидростатическим уравновешива­нием обладают высокой чувствительностью и могут быть использо­ваны для измерения малых давлений, перепадов давлений и разре­шений.

Некоторые модификации колокольных дифманометров с гидро­статическим уравновешиванием оснащаются преобразователями П, посредством которых перемещение поплавка преобразуется в уни­фицированный сигнал измерительной информации, передаваемый по каналу связи.

 

§ 4.3. Чувствительные элементы деформационных средств измерений давления

 

Принцип действия деформационных средств измерений давления основан на использовании упругой деформации чувствительного элемента (ЧЭ) или развиваемой им силы. Мерой измеряемого дав­ления в средствах измерений данного вида является деформация упругого ЧЭ или развиваемая им сила. Различают три основные формы ЧЭ, получивших распространение в практике измерения: трубчатые пружины, сильфоны и мембраны.

Трубчатые пружины. Трубчатая пружина (манометрическая трубка, пружина Бурдона)—упругая криволинейная металличе­ская полая трубка, один из концов которой имеет возможность перемещаться, а другой — жестко закреплен. Трубчатые пружины используются в основном для преобразования измеряемого давле­ния, поданного во внутреннее пространство пружины, в пропорцио­нальное перемещение ее свободного конца. Наиболее распростра­нена одновитковая трубчатая пружина, представляющая собой изо­гнутую по дуге окружности трубку с обычно овальным поперечным сечением (рис. 4.3, а).

Под влиянием поданного избыточного давления трубка раскру­чивается, а под действием разрежения скручивается. Такое направ­ление перемещения трубки объясняется тем, что под влиянием внут­реннего избыточного давления малая ось трубки (ось b) увеличи­вается, в то время как длина трубки остается постоянной. Теоре­тически длина трубки также изменяется, но эти изменения столь малы по сравнению с длиной, что на общее перемещение трубки оно не оказывает существенного влияния.

Для тонкостенных трубок изменение центрального угла трубки под действием внутреннего избыточного давления Р описывается уравнением

, (4.11)

где g — центральный угол трубки; m — коэффициент Пуассона; Е— модуль упругости материала трубки; R — радиус кривизны центральной оси трубки (центральная ось—геометрическое место центров тяжести поперечных сечений); h—толщина стенки; а и b — большая и малая полуоси овального сечения, измеренные по среднему контуру; a и b — эмпирические коэффициенты, зависящие от формы поперечного сечения трубки; c=Rh/a²—главный параметр трубки.

Составляющая сила в направлении касательной к оси на сво­бодном конце тонкостенной трубки (у тонкостенных трубок отно­шение h/b=0, 6¸ 0, 7) может быть найдена из выражения

. (4.12)

Сила в радиальном направлении

, (4.13)

где S и e — коэффициенты, зависящие от отношения b/а.

В уравнениях (4.12) и (4.13) все величины, за исключением Р, постоянные. Поэтому для трубчатой пружины справедливо равенство

(4.14)

где k=f (а; Ь; h; R; g).

Как следует из приведенных зависимостей, путем изменения alb, R, h и g можно изменять величины Dg и N, а следовательно, и чувствительность измерения.

Практически увеличение g достигается путем увеличения числа витков трубчатой пружины. На рис. 4.3, б показана винтовая. n-витковая трубчатая пружина. Величина g в чувствительных элементах этой формы равна 360° п.

Для измерения высоких давлений до 1000 МПа используют криволинейные и прямолинейные трубчатые пружины. Форма сечения прямолинейной трубчатой пружины показана на рис. 4.3, в. Перемещение свободного конца пружины происходит не из-за изменения поперечного сечения, а благодаря изгибающему моменту

, (4.15)

где pr² — площадь канала; l — расстояние от центра канала до центра тяжести; Р — измеряемое избыточное давление, направлен­ное в сторону более толстой стенки.

Основной недостаток рассмотренных пружин — малый угол поворота, что требует применения передаточных механизмов. Этот неостаток устранен в чувствительных элементах типа витой труб­чатой пружины овального или звездчатого сечения (рис. 4.3, г). Угол поворота такой витой пружины составляет 40—60°. Это позволяет отказаться от применения передаточного механизма, так как стрелка может быть укреплена непосредственно на свободном конце пружины. Трубчатые пружины для давлений до 5 МПа изготавливают из латуни, томпака, бронзы; для изготовления пружин, рассчитанных на давления свыше 5 МПа, применяют легированные сплавы, стали различных составов. Для давлений 1000 МПа и более применяют легированную сталь типа 50 ХФА.

Сильфоны. Сильфон — тонкостенная цилиндрическая оболочка с поперечными гофрами (рис. 4.3, д), способная получать значительные перемещения под действием давления или силы. В пределах линейности статической характеристики сильфона отношение действующей на него силы к вызванной ею деформации остается постоянным и называется жесткостью сильфона. Для увеличения жесткости внутри сильфона часто помещают пружину. Сильфоны изготовляют из бронзы различных марок, полутомпака, углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов и др. Се­рийно производят бесшовные и сварные сильфоны диаметром от 8—10 до 80—100 мм и толщиной стенки 0, 1—0, 3 мм.

Осевое перемещение d дна сильфона под действием осевой силы N определяют по формуле

(4.16)

где h_o — толщина стенки на внутреннем диаметре (принимают рав­ной толщине трубки, из которой изготовляют сильфон); п — число рабочих гофров; a — угол уплотнения; А_о, А₁, А₂, Во—коэффици­енты, зависящие от отношений R_Н/R_В и r/R_В (R_Н и R_В — наружный и внутренний радиусы сильфона; r -— радиус закругления гофров по средней линии контура).

Осевую силу можно определить, зная разность давлений DР, действующую на сильфон, т. е. N=, где Рэф==я (Rn + +.Rв)²/4—эффективная площадь сильфона, которая при значи­тельных перемещениях дна сильфона остается практически посто­янной.

Мембраны. Различают упругие и эластичные (вялые) мембра­ны. Упругая мембрана — гибкая круглая плоская (плоская мембра­на) или гофрированная (гофрированная мембрана) пластина, спо­собная получить прогиб под действием давления (рис. 4.3, е, ж). Статическая характеристика плоских мембран изменяется нели­нейно с увеличением давления, поэтому здесь в качестве рабочего участка используют небольшую часть возможного хода. Гофриро­ванные мембраны могут применяться при больших прогибах, чем плоские, так как имеют значительно меньшую нелинейность харак­теристики. Мембраны изготовляют из различных марок стали, бронзы, томпака, латуни и т. д.

Величина прогиба d центра плоской мембраны, закрепленной по контуру, при малых перемещениях под действием давления P равна

, (4.17)

где R—рабочий радиус мембраны (по контуру закрепления), h — толщина мембраны.

Величину прогиба d гофрированных мембран определяют из выражения a=d/h +bd³/h³=PR⁴/(Eh⁴), где а и b — коэффициенты, зависящие от формы профиля мембраны и ее толщины.

Гофры применяются треугольной, трапециевидной, синусоидальной и круговой форм. При необходимости получения большего прогиба используют соединение мембран в виде мембранных коробок (рис. 4.3, з), а также блоки, собранные из нескольких мембранных коробок (рис. 4.3, к).

Глубина гофр оказывает существенное влияние на линейность статической характеристики. Чем больше глубина гофр, тем линейность статической характеристики выше.

При измерении атмосферного (барометрического) давления по­лучили распространение гофрированные мембранные коробки, из внутренней полости которой воздух удален (рис. 4.3, л)

. Эластичная мембрана, предназначенная для измерения малых давлений и разности давлений, представляет собой зажатые меж фланцами плоские или гофрированные диски, выполненные из прорезиненной ткани, тефлона и др.

Плоские и гофрированные эластичные мембраны предназначены в основном для создания достаточных перестановочных усилий при сравнительно небольших перемещениях.

Перестановочное усилие эластичной мембраны зависит от ее эффективной площади, которая при умножении на перепад давления создает усилие, приложенное к геометрическому центру мембраны.

Эффективная площадь плоской эластичной мембраны, зажатой между фланцами, при малом прогибе мембраны приближенно равна 1/3 ее полной геометрической площади (остальные 2/3 площади передают усилие к опоре), т. е. F_эф=лD²/12, где D — диаметр опоры мембраны. Перестановочное усилие, создаваемое такой мембраной:

. (4.18)

В большинстве случаев используют лишь часть максимально возможного хода мембраны (до 10 %). При большом ходе мембраны связь между усилием N и ходом центра мембраны нелинейна. Для уменьшения нелинейности и увеличения перестановочного усилия| применяют эластичные мембраны с жестким центром, представляющим собой два металлических диска, закрепленных с двух сторон на мембране; оставшаяся свободная часть мембраны между дисками жесткого центра и заделкой по периферии образует |эластичное мембранное кольцо.

Усилие, создаваемое мембраной с жестким центром под действием давления Р,

, (4.19)

где D—диаметр мембраны; d—диаметр жесткого центра.

На рис. 4.3, м, н показаны типы эластичных мембран. При измерении перепада давления необходимо, чтобы при воздействии односторонних перегрузок на чувствительный элемент не происходило его повреждения.

Применение мембранных блоков с жидкостным заполнением (рис. 4.3, о) позволяет решить эту задачу. При односторонней перегрузке, когда разность давлений P₁ — Р₂ больше верхнего предела измерений, на который рассчитан чувствительный элемент повреждение коробки не происходит, так как мембраны складываются по профилю, а жидкость перетекает во вторую коробку.:

Одной из основных характеристик деформационного чувств тельного элемента является зависимость перемещения d рабочей точки от действующего давления Р или разности давлений. Г характеристика d=f(Р), называемая статической, может быть линейной или нелинейной. Ход статической характеристики в пределах упругой деформации неоднозначен и образует петлю гистерезиса. Значение гистерезиса определяет систематическую погрешность деформационных средств измерений.

Кроме отмеченного недостатка чувствительным элементам присуще свойство упругого последействия, суть которого состоит в том, что после прекращения изменения давления деформация продолжает уменьшаться, асимптотически приближаясь к предельному значению. Наряду с упругим последействием при эксплуатации чувствительных элементов имеет место остаточная деформация, заключающаяся в том, что после снятия давления чувствительный элемент не возвращается в исходное положение. При многократных измерениях остаточная деформация накапливается, что приводит к значительным погрешностям.

Изложенные особенности деформационных чувствительных элементов объясняют тот факт, что для технических манометров верхний предел измерений ограничивается половиной давления, соответствующего пределу пропорциональности статической характеристики, в то время как для образцовых приборов предел измерений ограничивается четвертой частью давления, соответствующего пределу пропорциональности.

 

§ 4.4. Деформационные приборы для измерения давления

 

Высокая точность, простота конструкции, надежность и низкая стоимость являются основными факторами, обусловливающими широкое распространение деформационных приборов для измерения давления в промышленности и научных исследованиях.

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: