Вимірювання тиску з допомогою деформаційних приладів
На практиці, для вимірювання тиску, широкого вжитку набули так звані деформаційні прилади – прилади з пружним чутливим елементом.
Принцип дії таких приладів грунтується на явищі деформації або згинаючого моменту різних пружних елементів під дією вимірювального тиску відповідного середрвища і перетворення його в переміщення або силу, що в свою чергу перетворюється, з допомогою передаючих механізмів, у кутове або лінійне переміщення показчика відносно шкали.
За видом пружного чутливого елементу пружинні прилади можна розділити на такі групи:
- прилади з трубчастою пружиною;
- мембранні прилади;
- сильфонні прилади.
До найбільш розповсюдженого виду деформаційних приладів відносяться манометри з трубчастою пружиною. Чутливим елементом таких приладів є зігнута дугою і запаяна з одного кінця трубка Бурдона 1 (рис.4.6) еліптичного, плоскоовального або круглого поперечного перерізу.
Рис. 4.6. Вид трубчастої пружини Бурдона:
а) еліптичного; б) плоскоовального; в) круглого поперечного перерізу
1- трубка; 2 – утримувач
З другого кінця трубка 1 закінчується утримувачем 2 з різьбою для з’єднання з порожниною, в якій вимірюється тиск. Якщо в трубку надходить рідина, газ або пар під надлишковим тиском, то кривизна трубки зменшуватиметься і вона розпрямлятиметься. При створенні розрідження всередині трубки кривизна її збільшуватиметься і остання скручуватиметься.
|
|
|
Під дією тиску всередині трубки вона, деформуючись, розкручуватиметься, що призведе до кутового переміщення її вільного кінця на деяку величину 
.
В трубках круглого поперечного перерізу, завдяки ексцентричному каналу, надлишковий тиск, що діє на заглушку вільного кінця, створює момент який викликає зменшення кривизни даної трубки. Можна прийняти, що в межах пружності, величина переміщення є пропорційною вимірювальному тиску 
( 
, де 
- коефіцієнт пропорційності). При збільшенні тиску лінійна залежність порушується. Граничний тиск 
, при якому ще зберігається лінійна залежність називається межею пропорційності трубки.
Для запобігання виникненню залишкових деформацій, найбільший робочий тиск 
повинен бути меншим за ( 
). Відношення 
називається коефіцієнтом запасу ( 
вибирають в межах від 1,35 до 2,50).
Переміщення вільного кінця трубки є незначним, тому при створенні на її основі манометрів, в конструкцію останніх вводять передавальний механізм, що збільшує це переміщення.
Схему манометра з трубчастою пружиною наведено на рис.4.7.
Конструкція і принцип дії трубчастої пружини, яка є головною складовою манометра, показаного на рис. 4.7, описано вище. Щодо конструктивної схеми наведеного манометра, то тут необхідно вказати, що передавальний механізм, призначений для масштабування відхилення запаяного кінця 8 трубки, а тим самим і відхилення стрілки 10 відносно шкали, складається з зубчастого сектора 9 і тяги 11.
|
|
|
Даний тип манометрів застосовується для вимірювання тиску до 1000 МПа. При цьому, для вимірювання тиску до 5 МПа застосовуються трубчасті пружини, виготовлені з латуні чи бронзи. Для вимірювання тиску більше 5 МПа, трубчасті пружини виготовляють зі сталі різного складу, а для тиску до 1000 МПа пружини виготовляють з легованої сталі 50 ХФА.
Рис.4.7. Конструктивна схема манометра з трубчастою пружиною:
1 - ніпель; 2 – утримувач; 3 – корпус; 4 – вісь; 5 – шестерня; 6 – пружина;
7 – трубчаста пружина; 8 – запаяний кінець пружини; 9 – зубчастий сектор;
10 – показчик (стрілка); 11 – тяга
Рис. 4.8. Схема дистанційного вимірювання тиску
1 – манометричний трубчастий перетворювач; 2 – зубчата передача;
3 – трансформаторний перетворювач із поворотною котушкою; 4 – містковий випрямляч; 
- вольтметр магнітоелектричної системи
Манометри з трубчастою пружиною широко застосовуються як для дистанційного вимірювання тиску, так і у вимірювальних системах з його реєстрацією.
|
|
|
Можлива схема дистанційного вимірювання тиску наведена на рис.4.8.Внаслдок підвищення вимірюваного тиску в резервуарі, манометрична трубка розпрямляється, зубчатий сектор повертатиметься на відповідний кут за годинниковою стрілкою, ведена шестерня повертатиметься проти годинникової стрілки; її рух передасться на рамку трансформаторного перетворювача, в якій з’явиться вторинна напруга. Ця напруга після випрямлення вимірюється вольтметром, шкалу якого доцільно проградуювати в одиницях тиску.
Вимірювальну систему з реєстрацією тиску наведено на рис.4.9.
Рис. 4.9. Вимірювальна система з реєстрацією тиску:
1 – манометричний трубчастий перетворювач; 2, 3 – відповідно первинний і вторинний трансформаторні перетворювачі (давач і приймач); 4 – підсилювач змінного струму; 5 – сервоелектродвигун; 6 – покажчик та реєструючий пристрій
Коли котушка давача відхиляється від положення, наведеного на рисунку, то на вхід підсилювача надходитиме різницева напруга. Ротор сервоелектродвигуна обертаючись, примусить котушку приймача зайняти положення, яке є аналогічним положенню котушки давача. При цьому вторинна напруга приймача зрівнюється з вторинною напругою давача, різницева напруга зникне, і електродвигун зупиниться. Кожному значенню вимірюваного тиску відповідає певне положення ротора серводвигуна, що фіксує показчик та реєструючий пристрій.
|
|
|
- Мембранні деформаційні прилади для вимірювання тиску
Вимірювальні засоби з чутливими елементами у вигляді плоских і гофрованих мембран, мембранних коробок і блоків застосовують для вимірювання невеликих надлишкових тисків і розріджень (манометри, напірметри та тягометри), а також перепадів тиску (дифманометри).
Мембрана являє собою тонкий переважно металевий диск, який жорстко кріпиться по периметру у вимірювальному блоці (рис.4.10).
Рис. 4.10. Вигляд мембрани у вимірювальному блоці
При цьому, під дією вимірюваного тиску 
, за умови, що 
, де 
- зовнішній тиск, відбувається прогинання мембрани на величину 
, яке перетворюється, аналогічно попередньому, у відхилення стрілки відносно шкали показуючого пристрою.
Мембрани поділяються на «пружні» і «в’ялі». Перші виготовляють з тонких металевих пластин (сталь, бронза, латунь). Вони мають суттєву жорсткість. Їх статична характеристика 
, де 
є нелінійною.
На практиці використовують плоскі і гофровані пружні мембрани (рис. 4.11).
Рис. 4.11. Різновиди пружніх мембран: а) плоска; б) гофрована
Наявність гофри лінеаризує статичну характеристику мембрани.
В’ялі мембрани виготовляють з прорезиненої тонкої тканини (капрон. шовк). Вони повинні задовільняти двом вимогам – велика міцність та відсутність власної жорсткості, оскільки призначаються для перетворення великих перепадів тиску в силу при незначних переміщеннях (до сотих долей міліметра). Дані мембрани звичайно оснащуються металевим жорстким центром. Вони також виготовляються у двох варіантах – гофрованими і плоскими.
Величина прогину мембрани залежить від величини тиску, діаметра, товщини, числа і форми гофр та модуля пружності матеріалу з якого її виготовляють. Тому через складність розрахунків характеристику мембрани підбирають дослідним шляхом.
Для збільшення прогину, при вимірюванні малих тисків, мембрани попарно з’єднуються (наприклад зварюванням) у мембранні коробки (рис.4.12,а). а самі коробки – у мамбранні блоки (рис. 4.12,б).
Рис. 4.12. Мембранні чутливі елементи:
а) мембранна коробка; б) мембранний блок
Мембранні манометри випускаються в основному показуючими. Принцип дії приладів полягає у перетворенні вимірюваного тиску або розрідження у переміщення жорсткого центру мембранного чутливого елементу яке з допомогою передаючого механізму перетворюється у відповідне переміщення показчика відносно шкали.
Максимальний діапазон вимірювань мембранних манометрів становить від 0 до 2,5 МПа, вакуумметрів – від -0,1 до 0 МПа. Клас точності приладів 1,5 та 2,5.
Поряд із зазначеним, мембранні деформаційні засоби можуть застосовуватись і в системах автоматичної сигналізації відхилення тиску від заданої норми (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Схема автоматичної сигналізації відхилення тиску від норми
На рисунку показано, що внаслідок підвищення тиску, мембрана 1 прогинається вгору, важіль 2 замикає контакт 
, і спалахує сигнальна лампа 
. Очевидно, що зниження тиску, порівняно з нормою примусить засвітитися лампу 
.
- Сильфонні манометри
Сильфон – це тонкостінна металева камера з гофрованою бічною поверхнею (рис. 4.14).
Сильфони виготовляють з латуні або нержавіючої сталі.
Він працює наступним чином. При дії зовнішнього або внутрішнього тиску довжина його відповідно зменшується або збільшується (до десятків міліметрів). Вхідною величиною сильфона є тиск , або 
( ), а вихідною – його переміщення .
Рис. 4.14. Сильфон
Суттєвим недоліком сильфонів є значний гістерезис і помітна нелінійність характеристики. Для зменшення впливу цих чинників всередині сильфону поміщають гвинтову циліндричну пружину, жорсткість якої в кілька разів більша за жорсткість сильфону.
Сильфонні манометри призначені для вимірювання надлишкового тиску, розрідження і різниці тисків. Їх виконують показуючими і самопишучими.
Схема самопишучого сильфонного манометра наведена на рис. 4.15.
Вимірювальний тиск через штуцер 11 подається в камеру 10, де знаходиться сильфон 9. Для збільшення жорсткості сильфону в його середині закріплена гвинтова циліндрична пружина 8. Під дією тиску сильфон деформується, в результаті чого його дно переміщує вгору шток 7, що жорстко зв’язаний з важелем 6. Останній через систему важелів 5, 4 і 3 повертає вісь 12 і закріплений на ній П-подібний важіль 2 до якого прикріплено стрілку з пером. Записується вимірюваний тиск на дисковій діаграмі, привод якої здійснюється за допомогою синхронного двигуна або годинникового механізму.
Рис. 4.15. Схема самопишучого сильфонного манометра
Межа вимірювань сильфонних приладів становить від 0,025 до 0,400 МПа.
Класи точності зазначених манометрів надлишкового тиску, вакуумметрів та мановакуумметрів становлять 1,5; 2,5.
В наш час широкого застосування набули деформаційні вимірювальні прилади тиску на основі вимірювальних перетворювачів з прямим перетворенням. Для перетворення переміщення деформаційного чутливого елементу в сигнал вимірювальної інформації, використовують індуктивні, диференційно-трансформаторні, ємнісні, тензорезистивні та інші перетворювачі неелектричних величин у електричні.
Перетворення сили, що розвиває чутливий елемент в електричний сигнал вимірюваної інформації реалізується п’єзоелектричними перетворювачами.
Запитання для самоконтролю
1. Принцип дії трубчастої пружини Бурдона.
2. Манометри з трубчастою пружиною.
3. Принципова схема дистанційного вимірювання тиску.
4. Схема вимірювання тиску з реєстрацією.
5. Мембранні та сильфонні деформаційні прилади для вимірювання тиску.
6. Схема автоматичної сигналізації відхилення тиску від норми.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 968; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!