Курс лекций для студентов специальности 092108 Теплогазоснабжение и вентиляция
 Скачать 4.93 Mb.
|
|
. Принцип действия манометров сопротивления основан на изменении электрического сопротивления первичных преобразователей при действии на них внеш него давления Среди этих манометров можно выделить две группы приборов - приборы с упругими чувствительными элементами и без них В манометрах сопротивления с упругими чувствительными элементами в качестве преобразователя давления используются тензодатчики , закрепляемые на чувствительном элементе Тензодатчик выполняется из нескольких витков тонкой манганиновой проволоки , уложенной в один слой на плоской поверхности Деформации чувствительного элемента , вызываемые изменениями давления , изменяют сопротивление тензодатчика за счет растяжения проволоки пропорционально действующему давлению В манометрах сопротивления без упругих чувствительных элементов применяются вещества , меняющие свое электрическое сопротивление при непосредственном воздействии на них внешнего давления К числу таких веществ относятся , например , угольный порошок , платина , константан , манганин и ряд других На практике отдается предпочтение манганину , т к он имеет линейную зависимость электрического сопротивления от давления вплоть до давления в 3000 МПа , а также обладает малым температурным коэффициентом сопротивления К недостаткам манганина можно отнести малое изменение сопротивления от давления Для измерения изменения сопротивления от давления для приборов рассматриваемого типа используются автоматические мосты , а при более точных измерениях - потенциометры Все манометры сопротивления требуют индивидуальной градуировки В нас тоящее время все больше применяются современные общепромышленные электрические преобразователи давления Это 167 интеллектуальные , со встроенным микропроцессором , интегральные преобразователи с цифровым интерфейсом Они обладают свойствами диагностики и конфигурирования на расстоянии ( установка нуля и диапазона шкалы , выбор технических единиц , ввод данных для идентификации и физического описания датчика и т п .), обеспечивают более высокое соотношение измеряемых диапазонов , улучшенную температурную компенсацию , повышенную точность измерения Основные характерис тики ряда электрических промышленных измерительных преобразователей давления приведены в таблице 3.3. Измерительный преобразователь типа « МТ -100», « Сапфир -22 МТ », а также микропроцессорный датчик нового поколения « Сапфир -22 МП » выпускаются как в обычном , так и во взрывозащищенном исполнениях Датчики выпускаются для ряда с тандартных диапазонов измерения Верхний предел измерения для всех датчиков равен диапазону измерения , а нижний - нулю Отдельные модели датчика « МТ -100» могут работать со средами , температура которых достигает до 300 0 С Питание датчиков осуществляется от блоков питания по 2- х или 4- х проводной линии Датчик « Сапфир -22 МТ » является аналогом ранее выпускавшегося датчика « Сапфир -22 М » и отличается уменьшенной основной и дополнительной температурной погрешностью , а также расширенными пределами перенастройки диапазонов измерения Датчик « Сапфир -22 МП » является аналогом « Сапфир -22 МТ », но с использованием микропроцессорной схемы измерения Выпускаемые преобразователи типа « ИНСАР » используют полупроводниковый первичный преобразователь давления на основе кремниевого мембранного тензорезистивного элемента и позволяет заменить « Сапфир -22» при измерениях давления воздуха или газов ( в том числе и агрессивных ). 168 Таблица 3.3 Характеристикаобщепромышленныхэлектрическихпреобразователейдавления *) в таблице приняты обозначения такие же, как и на рис. 3.2. 169 В пьезорезонансном датчике избыточного давления « Кварц - ДИ » в качестве чувствительного элемента используется пьезочувствительный кварцевый резонатор - крис таллический сдвоенный микрокамертон , закрепленный на кварцевой мембране Здесь измеряемое давление через разделительную мембрану и ж идкость передается на кварцевую мембрану , вызывая ее деформацию и меняя резонансную частоту тензорезонатора Этот прибор отличается малой основной (0,1 - 0,25 %) и дополнительной температурной погрешнос тью Выпускаемый цифровой манометр ДМ 5001 сочетает в себе качества манометра ( индикация значения давления на электронном цифровом табло ) и датчика с унифицированным токовым выходом Преобразователи давления типа « Метран » полностью взаимозаменяемы с рассмотренными выше преобразователями , однако отличительной особенностью прибора « Метран -44» является использование кремнийорганической разделительной жидкости между мембранами , что обеспечивает коррозионную стойкость в химически агрессивных средах Рис . 3.27 - Интеллектуальные преобразователи давления SITRANS P 170 Большинс тво из упомянутых выше преобразователей давления при всех своих достоинствах , определяющих их ш ирокое применение в промышленности , обладают существенными недос татками : низкими интеллектуальными и интерфейсными возможностями В этих условиях экономически оправданным может оказаться использование преобразователей давления , выпускаемых ведущими мировыми производителями Например , интеллектуальные датчики SITRANS P фирмы Siemens ( см рис . 3.27), «Alphaline-1151» фирмы F isher-Rosemount и датчики SMW3000 фирмы Honeyw ell, а также измерительные линии типа Smartline, ST3000 и Fieldbus. Давление в этих приборах измеряется пьезорезистивными тензодатчиками и осуществляется микропроцессорная обработка результатов , обеспечивающая высокую точность и ш ирокий диапазон измерений , а также их связь по соответс твующим протоколам обмена информацией с компьютерными системами верхнего уровня 3.5. Грузопоршневыеманометры Принцип работы поршневых манометров основан на уравновешивании сил , создаваемых , с одной стороны , измеряемым давлением , а с другой - грузами и поршнем , помещенными в цилиндре О величине измеряемого давления можно судить по величине веса грузов и поршня или по перемещению последнего Поршневые манометры в зависимости от назначения делятся на образцовые и рабочие Образцовые поршневые манометры широко применяют для поверки и градуировки пружинных манометров В некоторых случаях , например , при проведении научно - исследовательских работ , их используют для выполнения непосредственных измерений давления Рабочие поршневые манометры предназначаются для измерения давления непосредственно в промышленных условиях , однако представляют собой 171 слишком сложные и дорогие приборы , поэтому в настоящее время они не применяются На рис . 3.28 представлена схема и общий вид поршневого манометра , который является наиболее прос тым и распространенным из числа образцовых приборов данного типа Рис . 3.28 - Схема и внешний вид грузопоршевого манометра Измерительная часть прибора состоит из колонки 1 с цилиндрическим шлифованным каналом и порш ня 2, несущего на верхнем своем конце тарелку 5 для установки грузов 4. Вес грузов обычно подбирают с учетом рабочей площади поршня 2. Цилиндрический канал колонки сообщается с полостью цилиндра поршня 5 винтового пресса Кроме того , канал колонки и цилиндр винтового пресса сообщаются с помощью дополнительных каналов со штуцерами 6, служащими для присоединения поверяемых манометров Колонки и штуцеры снабжены игольчатыми вентилями 7 и 8. Вентиль 9 служит для спуска рабочей жидкости из прибора В качестве рабочей жидкости обычно применяют вазелиновое , турбинное или трансформаторное масло Перед началом работы прибор посредством установочных винтов устанавливают по уровню , имеющемуся на приборе , а затем вынимают 172 поршень и через воронку 11 заполняют прибор маслом Поверяемый манометр устанавливают в один из штуцеров и открывают его вентиль Затем поршень вставляют в канал колонки и на его тарелку кладут необходимое количество грузов Во время работы прибора необходимо , чтобы поршень был погружен в канал колонки примерно на две трети своей высоты На таком уровне поршень должен поддерживаться в течение всего времени поверки манометра , что достигается вращением маховика 10. Во время поверки для уменьшения влияния трения поршень приводят во вращательное движение от руки Под влиянием веса грузов и порш ня в жидкости создается давление , величина которого может быть подсчитана по формуле : F G P = , (3.27) где Р - давление , кгс / см 2 ; G - вес грузов и поршня , кг ;F - рабочая площадь поршня , см 2 За рабочую или эффективную площадь порш ня обычно принимаю т площадь сечения поршня плюс половина площади кольцевого зазора между поршнем и цилиндрическим каналом колонки Из формулы (3.27) вытекает , что создаваемое давление Р тем больше , чем больше вес грузов и чем меньше площадь порш ня Однако при выборе рабочей площади необходимо учитывать возможность изгиба поршня во время работы Поэтому толщина поршня у данного прибора выбрана достаточно большой - 1 см . Максимальное создаваемое давление , на которое рассчитан данный прибор для поверки с помощью грузов , не превышает 25 - 50 кг / см 2 Точность поршневого манометра зависит от точности определения рабочей площади поршня и веса грузов Рабочая площадь порш ня с большой точностью может быть определена экспериментально с помощью ртутного манометра при условии введения необходимых поправок или с помощью поршневого манометра большего класса точности Измерив давление в приборе с помощью ртутного манометра или поршневого манометра и взвесив грузы и поршень , можно , пользуясь формулой (3.27), подсчитать площадь поршня 173 Поршень 2 не имеет какого - либо специального уплотнения Оно достигается тщательной пришлифовкой строго цилиндрического поршня к шлифованному каналу колонки таким образом , чтобы зазор между поршнем и цилиндрическим каналом колонки был минимальным Обычно величина зазора равняется нескольким микронам При такой величине зазора опускание поршня вследствие неизбеж ной утечки масла весьма незначительно Поршневой манометр рассмотренного типа может быть использован для непосредственной поверки пружинных манометров аналогичными образцовыми пружинными манометрами в диапазоне давлений до 500 кг / см 2 . В этом случае колонка отключается от винтового пресса вентилем 7. Поршневые манометры описанного типа разделяются на 3 разряда Приборы 1- го разряда , имеющие класс точности 0,02, предназ начаются для поверки порш невых манометров 2- го разряда Приборы 2- го разряда , имеющ ие класс точности 0,05, служат для поверки поршневых манометров Приборы 3- го разряда , имеющие класс точности 0,2, применяются для поверки рабочих пружинных манометров 3.6. Дифференциальныеманометры Дифференциальные манометры ( дифманометры ) применяют в различных отраслях промышленнос ти для измерения перепада давления , расхода жидкостей , газов и пара по перепаду давления в сужающих устройствах и уровня жидкости , находящейся под атмосферным , избыточным или вакуумметрическим давлением Кроме того , некоторые типы дифманометров используются в качестве тягомеров , напоромеров и тягонапоромеров Для технических измерений применяются дифманометры различных типов : колокольные , кольцевые , поплавковые , мембранные и сильфонные Эти приборы в зависимости от наличия устройства для отсчета показаний , дистанционной передачи информации и рода выходного сигнала ( электрический , пневматический и др .) имеют следующие разновидности : 174 1. Дифманометры с отсчетными устройс твами , у которых перемещение чувствительного элемента и подвижных час тей , связанных с ним , под действием измеряемой разности давления или давления используется непосредственно для показания или записи 2. Дифманометры с отсчетными устройствами или без них , снабженные передающими преобразователями с унифицированными выходными сигналами переменного тока , применяемые в комплекте со вторичными приборами 3. Дифманометры с отсчетными устройствами или без них , снабженные передающими преобразователями с унифицированными выходными сигналами постоянного тока или пневматическим сигналом , предназначенные для работы со вторичными показывающ ими и самопишущими приборами , а также регуляторами и информационно - вычислительными машинами Указанные выше дифманометры или вторичные приборы , работающие в комплекте с ними , могут иметь дополнительные устройства для сигнализации , интегрирования и др Все производимые дифманометры - расходомеры и дифманометры – перепадомеры подразделяются на приборы с малым и большим предельным перепадом давления , который определен стандартами Предельный перепад давлений для приборов с малым его значением соответс твует следующему ряду : 10, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500, 4000, 6300, 10 000, 16 000 и 25 000 Па ; а для приборов с большим значением перепада - 0,04; 0,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1,0 и 1,6 МПа Верхние пределы измерений дифманометров - перепадомеров должны соответс твовать уровню измеряемых перепадов Верхние же пределы дифманометров - расходомеров для соответствующ их предельных номинальных перепадов давления должны выбираться из ряда : (1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8) · 10 n м 3 / час Здесь n – целое ( положительное или отрицательное ) число или нуль Нижние пределы измерений дифманометров - расходомеров должны составлять не более 30% от верхнего предела их измерений 175 Предельно допускаемые рабочие избыточные давления дифманометров зависят от прочности их корпуса и определяются по ГОСТ 18140-77. Классы точности дифманометров , применяемых в технике , соответс твуют : 0,25; 0,4; 0,5; 0,6; 1; 1,5; 2,5 и 4. ( Класс точности 4 допускается только для дифманометров с верхними пределами измерений менее 100 Па ). 3.6.1. Колокольныедифманометры Колокольные дифманометры могут использоваться для измерения расхода газов по перепаду давления на сужающих устройс твах , а также для измерения малых давлений или разряжений газа и его перепадов В основу работы таких дифманометров заложено перемещение свободно плавающего колокола в жидкости под действием измеряемого давления или его перепада Применяемые колокольные дифманометры в своем составе имеют тонкостенный колокол с большой рабочей площадью , помещенный в трансформаторное масло , который уравновешивается упругой силой винтовой пружины Форма колоколов у дифманометров колокольной системы может быть разнообразной , но в большинстве случаев колокола выполняются цилиндрической формы , ход которых пропорционален измеряемому давлению или его перепаду Имеются также дифманометры с колоколами , внутренние стенки которых имеют профилированную форму , ход этих колоколов пропорционален квадратному корню из значения измеряемого перепада давления , и такие колокола применяются в дифманометрах - расходомерах для линеаризации с татической характеристики В настоящее время профилированные колокола в дифманометрах не применяют ввиду сложности их изготовления , а линеаризацию статической характеристики осуществляют во вторичных приборах или преобразователях На рис . 3.28 приведена схема колокольного дифманометра типа ДКО У этого прибора колокол 3, подвешенный на постоянно растянутой пружине 5, частично погружен в разделительную жидкость ( трансформаторное масло ), 176 налитую в сосуд 4. Жидкость , находящаяся в приборе , разделяет плюсовую камеру ( под колоколом ) от минусовой ( над колоколом ). В нижней части Рис . 3.29 - Схема колокольного дифманометра типа ДКО колокола прикреплен кольцевой груз 10, который при любых перемещениях колокола должен оставаться погруженным в масло Дифманометр снабжен дифференциально - трансформаторным преобразователем 9, который закреплен на разделительной трубке 8. Внутри разделительной трубки находится сердечник 11, жестко связанный с колоколом при помощи с тержня 7, выполненного из немагнитной стали Дифманометр имеет два запорных вентиля для включения и выключения прибора и один уравнительный вентиль При работе прибора большее ( или избыточное ) давление р 1 подается через вентиль «+» и трубку 1 в запасную камеру , а затем по трубке 2 - в пространство под колоколом Меньшее ( или вакуумметрическое ) давление р 2 через вентиль «- » и трубку 6 поступает во вторую запасную камеру и через трубку 12 подается в пространство над колоколом Под действием измеряемой разности давлений р 1 – р 2 колокол и жестко связанный с ним сердечник дифференциально - трансформаторного преобразователя перемещаются до тех пор , пока усилие от приложенной к колоколу разности давлений не уравновесится упругими силами винтовой пружины Перемещение сердечника меняет взаимную индуктивность между первичной и в торичной цепями преобразователя и приводит к изменению выходного сигнала В случае превышения предельного номинального значения перепада давления повреждения дифманометра не произойдет , т к разделительная жидкость будет частично сбрасываться в запасные камеры 177 При работе колокольного дифманометра уровень разделительной жидкости и показания прибора будут находиться на нулевой отметке до тех пор , пока подводимые давления в обе камеры дифманометра будут равны В этом случае сила , действующая на колокол , равная разности между силами тяжести колокола и гидростатического давления , будет уравновешена силой упругости пружины : g f L G L К K П ⋅ ⋅ ⋅ − = ⋅ ρ , (3.28) где К П – жесткость пружины , Н · м -1 ; L- длина начального растяжения пружины , м ; f- площадь поперечного сечения стенок колокола , м 2 ; G K - сила тяжести ( вес ) колокола , Н ; ρ - плотнос ть жидкости , кг / м 3 ; g- ускорение свободного падения , м / с 2 Для дифманометров с тонкостенным колоколом гидростатическим давлением в уравнении (3.28) можно пренебречь , т к в этом случае f ≈ 0, тогда можно записать K П G L К = ⋅ (3.29) При возникновении разнос ти давлений р 1 - р 2 > 0 равновесие сил , приложенных к колоколу , нарушается При этом появляется подъемная сила от перепада давления , направленная вверх , которая будет перемещать колокол в том же направлении Это в свою очередь вызовет возникновение противодействующей силы , обусловленной изменением упругих сил пружины вследствие ее деформации Когда подъемная сила станет равной противодействующей силе , то колокол , перемес тившись на высоту h , займет новое положение равновесия Уравнение , определяющее новое состояние равновесия колокола при подведенной разности давления , имеет вид : ) ( ) ( В 2 1 h L К G F p p П K − ⋅ − = ⋅ − , (3.30) где F В - внутренняя поверхность колокола , м 2 178 или с учетом уравнения (3.29) ) ( 2 1 В p p К F h П − ⋅ = (3.31) Из этого уравнения следует , что для приборов с тонкостенным колоколом значение h не зависит от плотнос ти разделительной жидкости , но ее плотнос ть определяет максимальный перепад давления , который может быть измерен данным прибором Колокольные дифманометры типа ДКО выпускаются с верхними пределами измерений , соответствующ ими предельным номинальным перепадам давления , лежащих в интервале от 100 до 1000 Па Предельно допускаемое рабочее избыточное давление этих дифманометров составляет 0,25 МПа Эти дифманометры имеют класс точности 1,0. Если же дифманометр отградуирован вместе с вторичным прибором , то пределы допускаемой основной погрешности показаний не должны превышать ±1,5% нормирующего значения измеряемой величины Колокольные дифманометры позволяют измерять расход газа в комплекте с вторичным прибором , снабженным квадратичным кулачком , и сужающим устройством при малых перепадах давления Эти дифманометры используются также в качестве тягомеров , напоромеров и тягонапоромеров и работают в комплекте с вторичными приборами дифференциально - трансформаторной системы КСД -2 и КСД -3 с нормированным индуктивным выходом 0 – 10 миллигенри |