Курс лекций для студентов специальности 092108 Теплогазоснабжение и вентиляция
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
3.4.1. Упругиечувствительныеэлементы В качес тве упругих чувствительных элементов в приборах давления широко используются разного рода мембраны , мембранные коробки и блоки , трубчатые пружины и сильфоны Плоские мембраны. Плоские мембраны изготавливаются из стали и бронзы , представляют собой круглые тонкостенные пластины постоянной толщины , заделываемые по краям в камеру приема импульса давления Эти мембраны под дейс твием равномерно распределенного давления прогибаются при наличии не только изгибных деформаций , но и растягивающих напряжений и вследствие этого имеют нелинейную с татическую характеристику При 141 использовании плоских мембран в качестве рабочего участка используется обычно небольшая часть возможного ее хода Плоские мембраны применяются главным образом в приборах давления специальных конструкций с пьезокварцевыми , емкостными , индуктив ными и тензопреобразователями Приборы с плоскими мембранами обладают малой инерционностью и могут быть использованы для измерения переменного давления с частотой его изменения до тысячи герц Рис .3.10- Выпуклая мембрана и ее характеристика Выпуклые мембраны . Выпуклые мембраны , их еще называю т « хлопающие », изготавливаются также из стали или бронзы и при измерении давления могут принимать два положения , переходя из одного в другое скачком За счет таких своих свойств выпуклые мембраны используются в реле давления , в сигнализаторах давления при его отклонении от заданного На рис . 3.10 показан принцип работы выпуклой мембраны При воздействии давления р на мембрану ее прогиб λ на начальном участке (оеа) статической характеристики плавно возрастает После дальнейшего повышения давления мембрана теряет устойчивость , и она меняет скачком свой прогиб ( участок аb характеристики ), при этом замыкая ( размыкая ) электрические контакты Если повышать давление дальше , то прогиб мембраны будет снова плавно возрастать ( участок bc характеристики ). Если же уменьшать давление от р 1 до р 2 , то мембрана опять скачком возвратится в исходное состояние ( участок ge). Гофрированные мембраныимембранныекоробки Гофрировка поверхности мембраны в виде кольцевых волн значительно повышает 142 надежнос ть ее работы и спрямляет статическую характеристику мембраны Наиболее часто применяемые профили для гофрированных мембран – синусоидальный , трапецеидальный и пильчатый ( см рис . 3.11). Одиночные гофрированные мембраны в качестве чувствительных элементов применяются довольно таки редко Наибольшее применение в приборах давления ( тягомерах , напоромерах , дифманометрах ) получили мембранные коробки , которые представляют собой две спаянные вместе гофрированные мембраны , а также мембранные блоки , состоящие из нескольких мембранных коробок ( см рис . 3.12). Применение мембранных коробок помимо спрямления статической характеристики упругого элемента повышает и его чувствительность Для защиты мембранных коробок от возможных перегрузок по давлению применяют специальные упоры , ограничивающие их деформацию Увеличение глубины гофров приводит практически к линейной характеристике мембраны за счет большего сопротивления изгибу , а также к повышению жес ткости мембраны Влияние формы профиля на характерис тику 3.12. - Мембранная коробка и блок а - мембранная коробка ; б - мембранный блок Рис из трех коробок а ) б ) в ) Рис .3.11 - Профили гофрированных мембран : а - синусоидальный ; б - трапецеидальный ; в - пильчатый 143 мембраны сравнительно невелико , поэтому для воздействия на характерис тику изменяют глубину гофрировки или толщину материала Форму профиля и число волн обычно выбирают из технологических или конструктивных соображений В тех случаях , когда необходимо уменьшить жесткос ть на некотором участке характерис тики мембраны , ей придают небольшую выпуклость Неметаллические мембраны. Кроме металлических мембран в приборах давления , измеряющих малые давления и разнос ти давлений , применяют неметаллические , так называемые « вялые мембраны ». Эти мембраны изготовляют из специальной прорезиненной ткани ( капрон или шелк , покрытые бензомаслостойкой резиной ) или пластмассой Рис . 3.13 - Неметаллические мембраны с жестким центром : а - свободная ; б - нагруженная пружиной Неметаллические мембраны снабжаются жестким центром в виде металлических дисков , диаметр которых обычно составляет примерно 0,8 рабочего диаметра Для обеспечения постоянства эффективной площади кольцевая час ть мембраны выполняется с гофром Эффективная площадь вялой мембраны определяется в соответс твии с выражением : 2 эф эф R F ⋅ = π , где R эф - эффективный радиус В случае , когда жесткости вялой мембраны недос таточно , ее снабжают усиливающей пруж иной На рис . 3.13 приведены вялые мембраны с жестким центром 144 Рис . 3.14 - Сильфоны бесшовные а - свободный ; б - нагруженный Сильфоны . Сильфоны применяются в приборах давления ( напоромерах , тягомерах и манометрах для измерения небольшого давления 40000 Па ) при измерении вакуумметрического давления - до 0,1 МПа , абсолютного давления - 2,5 МПа , избыточного давления - до 60 МПа , разности давлений - до 0,25 МПа Сильфоны предс тавляют собой тонкостенную трубку с поперечной гофрировкой ( см рис . 3.14) и выдерживают давление на сжатие в 1,5 - 2 раза большее , чем на растяжение , т е воздействии давления изнутри Жесткость сильфона зависит от его геометрических размеров , толщины стенки трубки , упругих свойств материала трубки , радиуса закругления гофра R и угла уплотнения гофра α. В случаях , когда требуется увеличить жесткос ть сильфона , он снабжается цилиндрической винтовой пружиной Эффективная площадь сильфона с достаточной точнос тью может быть рассчитана по следующей эмпирической формуле 2 2 + ⋅ = В Н ЭФ R R F π , (3.19) где R Н и R В – соответственно наруж ный и внутренний радиусы сильфона Статическая характеристика сильфонов линейна только для небольших перемещений и обладает высокой стабильностью и чувствительностью В связи 145 с этим сильфоны в приборах давления используются в режиме небольших деформаций Бесшовные сильфоны изготавливаются путем гофрировки цельных тонкостенных трубок методом механогидравлической опрессовки На практике применяются также сварные сильфоны , которые изготавливаются путем сваривания листовых ш тампованных мембран Трубчатые пружины Трубчатые пружины представляют собой изогнутую по дуге трубку с центральным углом γ , равным 200-250 о эллиптического или плоскоовального сечения Они называются пружиной Бурдона Один конец такой пружины закреплен неподвижно , а другой , свободный , закрыт пробкой и запаян Свободный конец пружины соединен с механизмом показывающего прибора или с другим преобразователем Схема пружины Бурдона приведена на рис . 3.15. Рис . 3.15 - Одновитковая трубчатая пруж ина Бурдона различных сечений Именно такая форма сечения трубчатых пруж ин позволяет перемещаться ее свободному концу при подведении вовнутрь нее давления Пружина круглого сечения практически нечувствительна к давлению , т к ее поперечное сечение не деформируется при воздействии давления Тонкостенные пружины Бурдона применяются для измерения избыточного и абсолютного давления до 6 МПа , а вакуумметрического - до 0,1 146 МПа Для измерения больших давлений в диапазоне до 20- 160 МПа применяются толстостенные пружины овального сечения Трубчатая пружина тем чувствительнее , чем больше радиус ее кривизны R k и чем меньше толщ ина δ Чувствительность трубчатых пружин с сечениями , приведенными на рис . 3.15, зависит от соотношения осей поперечного сечения a/b. Относительное изменение центрального угла тонкостенной пружины Бурдона в зависимости от подводимого к ней давления определяется по формуле : 2 2 2 ) 1 ( 1 χ β α δ µ γ γ + ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ = ∆ a b b R E p K , (3.20) где ∆γ = γ 1 – γ – изменение центрального угла пружины под давлением ; Е- модуль упругости материала пруж ины ; µ – коэффициент Пуассона ; δ – толщина стенки пружины ; α и β – коэффициенты , зависящие от соотношения a/b, ( см таблицу 3.2); χ = 2 K R a δ ⋅ - « главный параметр » пружины Бурдона Полное перемещение λ свободного конца пружины Бурдона будет определяться как геометрическая сумма радиального λ R и тангенциального перемещений λ T : C R K Т R ⋅ ⋅ ∆ = + = γ γ λ λ λ 2 2 , (3.21) где 2 2 ) sin ( ) cos 1 ( ); sin ( ); cos 1 ( γ γ γ γ γ γ γ λ γ γ γ λ − + − = − ⋅ ∆ = − ⋅ ∆ = C R R K T K R Подс тавляя в формулу (3.21) значение относительного изменения центрального угла из формулы (3.20), получим : P K K p С a b b R E p = ⋅ + ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ = 2 2 2 2 ) 1 ( 1 χ β α δ µ λ , (3.22) где К Р – жесткость пружины Бурдона по давлению 147 Исходя из этого , чувствительнос ть пружины Бурдона по давлению определится следующим образом : С a b b R E K S K P P ⋅ + ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ − = = 2 2 2 2 ) 1 ( 1 1 χ β α δ µ (3.23) Таблица 3.2 - Значения коэффициентов для расчета трубчатых пружин Бурдона Форма поперечного сечения а /b 1 1,5 2 3 4 5 6 8 10 Эллиптическая α β 0,750 0,083 0,636 0,062 0,566 0,053 0,493 0,045 0,452 0,044 0,430 0,043 0,416 0,042 0,400 0,042 0,390 0,042 Плоскоовальная α β 0,637 0,096 0,594 0,110 0,548 0,115 0,480 0,121 0,437 0,121 0,408 0,121 0,388 0,121 0,360 0,119 0,343 0,118 3.4.2. Приборыдавленияпрямогодействия Приборы давления прямого дейс твия используются для измерения давления в широком диапазоне его изменения – от нескольких миллиметров водяного столба до нескольких тысяч атмосфер Применяют их как в лабораторных , так и в промышленных условиях Они отличаются простотой конструкции , небольш ими размерами , относительной дешевизной и простотой эксплуатации Мембранные напоромерыитягомеры Эти приборы , широко применяемые в промышленнос ти , служат для измерения небольших давлений и разрежений , а также незначительных разностей давлений Например , в котельных ус тановках , промышленных печах и ряде других случаев тягомерами измеряют силу тяги , а напоромерами давление воздуха Мембранные тягомеры и напоромеры изготовляют с профильной и концентрической шкалой При этом их устройство принципиально одинаковое , за исключением отдельных элементов передаточного механизма и формы 148 корпуса Приборы с профильной шкалой компактны , и их удобно размещать на щитах На рис .3.16 схематически изображен напоромер типа НМП с горизонтальной профильной шкалой , предназначаемый для измерения давления , и его внутреннее устройс тво В качестве упругого элемента здесь используется мембранная коробка 2, состоящая из двух гофрированных мембран Подвод давления измеряемой среды осуществляется к трубке 1. При изменении давления среды мембранная коробка прогибается , при этом ее объем либо увеличивается , либо уменьшается Вследствие прогиба мембранной коробки ш тифт 3, припаянный в центре верхней мембраны , поворачивает коленчатый рычаг 4, который в свою очередь перемещает указательную стрелку 5 посредством тяги 6 и рычага 7. Для устранения мертвого хода оси стрелки предусмотрен спиральный волосок 12 Рис .3.16 - Напоромер типа НПМ с горизонтальной профильной шкалой : а - схема устройства ; б - внутренний вид : 1- трубка подвода давления ; 2- « дыхательное » отверстие ; 3- корректор нуля ; 4- мембранная коробка ; 5- плоская пружина ; 6- кронштейн с установочными винтами ; 7- спиральная пружина ; 8- стрелка Ход мембранной коробки непропорционален давлению Поэтому для получения равномерной шкалы прибора он снабжается специальным а ) б ) 149 приспособлением , состоящим из плоской пружины 8 и кронш тейна 9 с регулировочными винтами При подъеме пружина опирается на регулировочные винты , вследствие чего с увеличением давления уменьшается рабочая длина пружины , а отсюда увеличивается ее жесткость Таким образом , измеряемое давление уравновешивается действием упругих сил пружины и мембранной коробки Установка стрелки прибора на нулевую отметку шкалы производится винтом 10( корректором нуля ). При вращении его по часовой стрелке конусная часть винта входит в кольцо и поднимает рычаг 11, передвигая стрелку прибора по шкале вправо При вращении винта против часовой стрелки рычаг 11 под действием пружины 13 опускается и стрелка перемещается влево При установке мембранных тягомеров и напоромеров в эксплуатационных условиях необходимо иметь в виду возможные погрешности от изменения температуры среды , окружающей прибор При повышении температуры показания приборов изменяются , причем эти изменения получаются различными даже для однотипных тягомеров и напоромеров с мембранными коробками , изготовленными из одного материала По экспериментальным данным , величина температурных коэффициентов приборов этого типа при температурах от 30 до 55 0 С колеблется от 0,0007 до 0,0043 на 1 0 С Мембранные приборы , предназначаемые для измерения давления разрежения , выпускают с пределами измерений от 16 до 1600 мм вод ст Кроме того , эти приборы изготовляют с нулем посередине шкалы и с пределами измерений от +20 до +500 мм вод ст Прибор с нулем посередине шкалы отличается от прибора , изображенного на рис . 3.16, тем , что имеет еще одну пружину и один кронштейн Тягомер , так же как и напоромер , имеет одну пружину и один кронштейн , но последний расположен под пружиной Тягомеры и напоромеры круглые с концентрической шкалой для передачи хода мембранной коробки снабжены рычажно - секторным передаточным механизмом 150 Помимо приборов с горизонтальной шкалой , применяются также приборы и с вертикальной профильной шкалой На рис . 3.17 показана схема такого мембранного тягомера Рис . 3.17 - Мембранный тягомер с вертикальной профильной шкалой В качестве упругого элемента в этом приборе используется плоская мембрана На раме 1 закреплена коробка 2, между фланцами которой зажата тканевая мембрана 3. Средняя часть мембраны имеет жесткий центр 4, на котором сверху закреплен ш тифт 5. Этот штифт упирается в плоскую пружину 6, один конец которой прикреплен к кронштейну коробки Второй конец плоской пружины с помощью системы рычагов связан с указательной стрелкой 7. Коробка 2 разделена мембраной на две изолированные полости Нижняя полость коробки посредством трубки 8 соединяется с местом измерения , а верхняя полость сообщена с атмосферой Под влиянием разнос ти давлений мембрана будет прогибаться вниз или вверх в зависимости от того , увеличивается или уменьшается измеряемое разрежение При этом одновременно с мембраной будет прогибаться плоская пружина , которая с помощью передаточного рычаж ного механизма перемес тит стрелку вдоль шкалы 9 на угол , зависящий от величины действующего разрежения Приборы этого типа изготовляют также в виде напоромеров и тягонапоромеров , т е с нулем посередине шкалы Тягомеры и напоромеры выпускают с пределом измерения от 16 до 2500 мм вод ст ., а тягонапоромеры - от +8 до +200 мм вод ст 151 Все типы рассмотренных мембранных приборов с классом точности 1,5 и 2,5. Следовательно , максимальная основная допус тимая погрешнос ть их показаний не превышает ±2,5% от верхнего предела измерения Манометры , вакуумметрыимановакуумметры. В этих приборах в качестве упругих чувствительных элементов используются сильфоны и одновитковые трубчатые пружины Сильфонные приборы применяются для измерения ( измерения и записи ) вакуумметрических и небольших избыточных давлений , не превышающих 0,4 МПа Рассмотрим устройс тво сильфонных приборов на примере самопишущего манометра типа МСС , схема которого приведена на рис . 3.18. Рис . 3.18 - Самопишущий манометр типа МСС Сильфон 9 в целях его разгрузки снабжен винтовой пруж иной 8, которая вместе с ним создает силу , противодействующую подводимому давлению Давление среды подводится к штуцеру 11, соединенному трубкой с камерой 10. Под дейс твием давления среды сильфон деформируется , и дно его поднимает шток 7. Шток поворачивает рычаг 6, который посредством рычага 5, тяги 4 и рычага 3 поворачивает ось 12 и сидящий на ней П - образный рычаг 1, на котором расположено перо 2. Запись измеряемого давления производится на дисковой диаграмме Диаграмма делает один оборот в сутки Привод 152 диаграммы осуществляется синхронным электродвигателем или часовым механизмом Манометры этого типа выпускаются с верхними пределами измерений о т 0,025 до - 0,4 МПа Показывающие и самопишущ ие сильфонные манометры выпускаются с классом точности 1,5, сильфонные вакуумметры и мановакуумметры – с классом точности 2,5. Приборы с одновитковой трубчатой пружиной получили наибольшее распространение и применяются в широком интервале для измерения давления от 1 0,1 до 1000 МПа Приборы с одновитковой трубчатой пружиной в зависимости от их назначения разделяются на рабочие и образцовые Рабочие приборы , в свою очередь , подразделяются на приборы повышенной точнос ти , контрольные и технические К приборам , предназначенным для измерения с повышенной точностью , относятся манометры типа МТ И и вакуумметры типа ВТ И с классами точности 0,6 и 1, соответственно , а также мановакуумметры типа МТИ класса точности 1. Контрольные показывающие манометры и вакуумметры , предназ наченные для поверки технических приборов давления по месту их ус тановки , имеют класс точности 0,5. Технические манометры , вакуумметры и мановакуумметры выпускаются с классами точнос ти 1,0; 1,6; 2,5 и 4. Образцовые же приборы давления выпускаются типов МО ( манометры ), ВО ( вакуумметры ) и имеют класс точности 0,16; 0,25; и 0,4. Верхний предел шкалы образцовых манометров типа МО составляет 0,1 – 60 МПа В приборах с одновитковой трубчатой пружиной перемещение свободного ее конца передается на стрелку с помощью секторного передаточного механизма Этот механизм позволяет использовать концентрическую шкалу с углом в 270°. На рис . 3.19 показана схема устройства показывающего манометра с одновитковой трубчатой пруж иной Бурдона и его общий вид В соответств ии с приведенным рисунком , один конец трубчатой пруж ины 1 закреплен в держателе 2, скрепленном с корпусом манометра Внизу держатель снабжен шес тигранной головкой и радиальным ш туцером 3 с резьбой для присоединения к объекту измерения Приборы давления 153 Рис . 3.19 - Манометр с одновитковой трубчатой пружиной : а - схема устройства ; б - общий вид изготовляются также с осевым штуцером , располагаемым сзади корпуса прибора Свободный конец пружины , закрытый пробкой с серьгой , соединен с секторным передаточным механизмом , состоящим из поводка 4, сектора 5 и трибки 6, на оси которой укреплена стрелка 7. Спиральная пружина 8 служит для приж имания зубцов трибки к зубцам сектора , устраняя тем самым мертвый ход Под влиянием измеряемого избыточного давления пружина разгибается и тянет за собой поводок , который поворачивает зубчатый сектор и соответс твенно трибку со стрелкой Передвигающаяся вдоль шкалы стрелка показывает значение измеряемого избыточного давления Перемещение свободного конца пружины , а следовательно , и угол поворота стрелки практически пропорциональны измеряемому давлению , поэтому шкала таких приборов равномерна Регулировка хода стрелки осуществляется изменением длины плеча зубчатого сектора со стороны поводка Вакуумметры с одновитковой трубчатой пружиной по своему устройству аналогичны манометру , рассмотренному выше Если к ш туцеру прибора подвести разрежение , то трубчатая пружина будет скручиваться , и ее свободный конец будет перемещаться не вниз При этом стрелка вакуумметра будет двигаться , в отличие от с трелки манометра , против часовой стрелки Для б ) а ) 154 того , чтобы движение стрелки было обычным ( по часовой стрелке ), конец трубчатой пружины закрепляют с правой стороны держателя Мановакуумметры с одновитковой трубчатой пружиной отличаются о т манометров шкалой , которая выполняется у них двусторонней Часть шкалы , расположенная слева от нуля , служит для измерения вакуума в диапазоне от 0,1 до 0 МПа , а справа от нуля - для измерения избыточного давления , с верхними пределами от 0,06 до 2,4 МПа Устройство приборов давления с повышенной точнос тью измерения и образцовых ничем не отличается от обычных приборов с пружиной Бурдона Высокая точнос ть этих приборов , особенно образцовых , по сравнению с техническими приборами достигается за счет тщательного изготовления и применения материалов высокого качества При выборе шкалы прибора с одновитковой трубчатой пружиной необходимо , чтобы рабочий предел измерения избыточного давления был не менее 3/4 верхнего предела измерения при постоянном давлении и не менее 2/3 верхнего предела измерения при переменном давлении |