Примеры обозначений класса точности средств измерений

2. Автоматический контроль технологических параметров [1] измерение давления и разрежения

Единицей измерения давления в системе СИ является паскаль (Па). Паскаль — это давление силы в 1 Н на площадь в 1 м (Н/м ). При применении этой единицы могут использоваться приставки для образования кратных и дольных единиц — в первую очередь с целью сокращения числа значащих цифр в записыва­емом значении (например, 5,28 МПа вместо 5 280000 Па).

Измерение давления отечественными приборами произво­дится в кгс/см (килограмм-сила на сантиметр квадратный) и кгс/м (килограмм-сила на метр квадратный). При использова­нии для измерения давления жидкостных приборов с видимым мениском применяют в качестве единицы давления миллиметр водяного или ртутного столба. Кроме перечисленных единиц из­мерения применяют физическую атмосферу, равную нормаль­ному давлению атмосферного воздуха 760 мм. рт. ст. при 0 °С и нормальном ускорении свободного падения (760 мм. рт. ст. = = 101,325 кПа = 1,0332 кгс/см ). Соотношения между применя­емыми единицами измерения давления приведены в табл. 3.1 [2].

Таблица 3.1

Соотношения между единицами давления

Приборы, служащие для измерения давления выше атмосферного, называют манометрами, а для измерения давления ниже атмосферного — вакуумметрами. Для измерения малых давлений (до 500 мм вод. ст.) применяют микроманометры, а для малых разрежений — микровакуумметры. Промышленные микроманометры называют напоромерами, микровакуумметры — тягомерами.

Существуют приборы для одновременного измерения давления и разрежения — мановакуумметры и микромановакуумметры.

Для измерения разности или перепада давлений при­меняют дифференциальные манометры (дифманометры). В зависимости от устройства измерители давления и разрежения подразделяют на следующие группы:

• жидкостные, в которых измеряемое давление опреде­ляется давлением столба жидкости соответствующей высоты;

• пружинные, где давление измеряется силой упругой деформации элементов различного вида;

• поршневые, в которых измеряемое давление опреде­ляется силой, действующей на площадь поршня; эти при­боры применяют главным образом для проверки и градуировки пружинных манометров;

• электрические, в них давление определяется по изме­рению электрических величин (емкости, сопротивления, силы тока).

Поршневые и электрические манометры в водопроводно-канализационной технике не получили применения.

Жидкостный манометр в простейшем виде состоит из U-образной стеклянной трубки с равномерными деления­ми. Наименьшее деление шкалы 1 мм. Шкала обычно двусторонняя с нулевой отметкой посередине. Оба конца трубки заполнены жидкостью до нулевой отметки (рис. 48, а).

Рис. 48. Схема действия жидкости манометров:

а – двухтрубный; б – чашечный; в – с наклонной трубкой

При подводе давления к одному концу трубки жидкость перетекает и сквозь стекло видна разница в уровнях жидкости. Разность уровней, выраженная в миллиметрах, дает значение измеряемого давления. Если в трубку налита ртуть, давление выразится в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.); при заполнении трубки водой давление будет выражаться в миллиметрах водяного столба (мм вод. ст.).

Если манометр заливается не водой, пересчет показа­ний можно сделать (мм вод. ст.) по следующей формуле:

,

где — измеряемое давление, мм вод. ст.; — фактичес­кая разность уровней жидкости; — плотность жидкости, залитой в манометр; — плотность воды.

При увеличении площади поперечного сечения одного колена U-образного манометра в 10...20 раз по сравнению с площадью другого колена во столько же раз изменится величина отклонения уровня в каждом колене от среднего. В узкой трубке уровень поднимается на большую высоту, в то время как в широкой трубке он опустится незначитель­но. Величиной изменения уровня в широкой трубке при достаточно большом диаметре можно пренебречь и отсчитывать показания прибора только по изменению уровня в узкой трубке. Такой манометр называют одно­трубным или чашечным (рис 48, б).

На рис 48,в показана схема простейшего жидкостного однотрубного микроманометра с наклонной трубкой, при­меняемого для измерения малых давлений и разрежений или их перепадов. В этом приборе благодаря наклону труб­ки увеличивается масштаб показаний. Пренебрегая опус­канием уровня в сосуде на величину можно написать

,

где — измеряемое давление, мм вод. ст.; L — отсчет по наклонной шкале, мм; — плотность залитой в прибор жидкости; — угол наклона трубки, откуда

.

Из этой формулы видно, что чем меньше угол , тем больше масштаб отсчета, и наоборот. Микроманометры изготовляют с постоянным или переменным углом наклона трубки.

Пружинные манометры основаны на использовании упругих свойств различного вида пружин. В манометрах используют одновитковые трубчатые, пластинчатые (мем­браны) и гармоникообразные пружины (сильфоны).

Манометры с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 49) имеют

Рис. 49. Манометр с одновитковой трубчатой пружиной:

а – показывающий: 1 – трубчатая пружина; 2 – стрелка; 3 – шестерня (трибка); 4 – пружина для выбора люфтов; 5 – зубчатый сектор; 6 – ниппель присоединения манометра; 7 – тяга; 8 – станина; б – показывающий и электроконтактный сигнализирующий: 1 – подвижные предельные контакты; 2 – контакт показывающей стрелки; 3 – указатель настройки; 4 – показывающая стрелка

много разновидностей и широко применяются для измерения давления от десятых долей до тысяч Н/м . Основной частью этих манометров является полая трубчатая пружина — манометрическая трубка. .

Подвижный конец трубки закрыт, другим (неподвижным) концом трубка соединяется с пространством, в котором измеряется давление. Под влиянием избыточного давления трубка разгибается и свободный конец ее в зависимости от давления с помощью передаточного механизма передвигает стрелку прибора. Манометры этого типа могут быть показывающие и самопишущие, а также с передачей показаний на расстояние. Точность показа­ний технических манометров находится в пределах от I до 4% предельного значения шкалы.

Трубчатую пружину можно применять и для измерения разрежения. Устройство трубчатых вакуумметров в принципе ничем не отличается от устройства манометра, работа пружины вакуумметра отличается от работы пру- жины манометра лишь тем, что она не разгибается, как в манометрах, а сгибается.

Манометры с многовитковой (геликоидальной) труб­чатой пружиной отличаются тем, что вследствие большой длины пружины свободный конец ее может перемещаться на большее расстояние, чем у трубчатой пружины.

Схема работы механизма самопишущего манометра типа МГ показана на рис. 50, а.

Рис. 50. Схема узла многовитковой пружины манометра МГ и общий вид сильфонного манометра МС-Э1

При увеличении давления Р, поступающего к пружине, многовитковая трубчатая пружина 1 раскручивается и поворачивает ось 3, припаян­ную к свободному концу пружины. Вместе с осью 3 пово­рачивается закрепленный на ней рычаг 2, на конце которо­го находится каретка 4. Поворот рычага 2 и пере­мещение каретки 4 передается с помощью тяги 6 и повод­ка 8 мостику 9, с которым жестко связано перо самопишу­щего устройства 7. Пропорциональность изменения давле­ния и перемещения пера регулируется с помощью каретки 4 с ползунком, передвигаемым регулировочным винтом 5. Промышленность выпускает мембранные и сильфонные манометры, предназначенные для различных условий из­мерения.

По ГСП выпускается сильфонный токовый манометр МС-Э1, общий вид которого показан на рис. 50,б. Прибор в комплекте с усилителем УП-20 предназначен для непре­рывного преобразования давления (разрежения) газа или жидкости в пропорциональный электрический токовый сигнал дистанционной передачи.

Прибор построен по блочному принципу с использова­нием унифицированного электросилового линейного пре­образователя, конструкция которого позволяет за счет изменения рычажного механизма менять пределы измере­ний. Действие прибора основано на электрической сило­вой компенсации: давление преобразуется на чувстви­тельном элементе измерительного блока в пропорциональ­ное усилие и автоматически уравновешивается усилием обратной связи.

Дифференциальные манометры бывают жидкостные (поплавковые, колокольные и типа кольцевых весов), а также пружинные (мембранные и сильфонные).

Поплавковые дифманометры выпускают многих типов для различных условий измерения.

На рис. 51 изображено устройство поплавкового дифманометра.

Рис. 51. Устройство поплавкового дифманометра:

а – прибор с самопишущим устройством; б – принципиальная схема; в – показывающее устройство; 1 – поплавковый сосуд; 2 – сменный сосуд; 3 – поплавок; 4 – уравнительный вентиль; 5 и 6 – трубки подвода давления; 7 – ось; 8 – сальниковая муфта; 9 – сектор; 10 – поводковый рычаг; 11 – мостик пера; 12 – перо; 13 – арретир; 14 – часовой механизм; 15 – картограмма; 16 – подшкальник

Поплавковый сосуд заполнен водой или ртутью. Перемещение поплавка с помощью рычагов передается перу. Круговая диаграмма приводится во вращение с помощью часового механизма или электродвигателя.

При равенстве давлений и уровни жидкости в обоих сосудах занимают одинаковое положение. При различных давлениях и уровень жидкости в сосуде 1 опускается, а в сосуде 2 поднимается. Так как разность давлений уравновешивается весом столба жидкости , то условие равновесия в приборе (рис. 51, б) характеризуется уравнением

,

где — плотность уравновешивающей жидкости; — плотность среды, находящейся над уравновешивающей жидкостью:

или

т. е. измеряемая величина выражается величиной переме­щения поплавка,

где — постоянная вели­чина; — постоянная величина.

Колокольные дифманометры применяют для измерения малых перепадов давления. Существует несколько кон­струкций таких приборов.

В качестве примера на рис. 52,а схематично изо­бражено устройство колокольного дифманометра ДКФМ.

Рис. 52. Колокольные дифманометры:

а – типа ДКФМ; б – типа ДК

Чувствительным элементом прибора является колокол 1, частично погруженный в масло. Колокол подвешен к рычагу 2, расположенному в бачке 3. При пе­ремещении колокола поворачивается сектор 4, жестко связанный с рычагом 2. Усилие колокола уравновешивает­ся пружиной 5. Сектор сцеплен с шестерней 6. сидящей на оси рамки 7 ферродинамического датчика. Винт, воздействующий на пружину 5, служит для установ­ки нулевого положения. Выпускается несколько типов этого прибора на различные перепады давления. Коло­кольный дифманометр ДКФМ работает в комплекте со вторичными ферродинамическими приборами КСФ2 или КСФЗ.

На рис. 52,б показан колокольный дифманометр ДК. Он состоит из сосуда 8, в котором находится колокол 9, подвешенный к винтовой пружине 10. С колоколом жестко связан сердечник 11 индук­ционной катушки 12, включаемой во вторичный прибор.

Давление подводится через две импульсные трубки, на которых установлены два запорных вентиля 13 и один уравнительный вентиль 14.

Кольцевые дифманометры выпускают на различные пределы измерений с ртутным или водяным заполнителем.

На рис. 53 показана принципиальная схема кольцевого дифманометра.

Рис. 53. Схема кольцевого дифманометра

Кольцевой со­суд 1 разделен перегородкой 2 на две полости: I и II. Кольцо примерно наполовину запол­няется жидкостью. Полости над жидкостью гибкими трубка­ми присоединяются к сужаю­щему устройству, создающему перепад давлений в трубопро­воде.

Для изменения пределов из­мерения к кольцу прикрепляет­ся груз Р. В центре вращения кольца находится ножевая опора. При увеличении давления в полости I жидкость поступает в полость II и вследствие перемещения поворачивает коль­цо вокруг оси на некоторый угол, пропорциональный пере­паду давления . Вращение кольца передается стрелке прибора или перу самопишущего устрой­ства.

Зависимость между перепадом давления и углом пово­рота кольца выражается уравнением

или

где Р – масса груза; а – расстояние от центра тяжести гру­за до оси вращения; F – площадь перегородки; – средний радиус кольца; – угол поворота кольца.

Сильфонные дифманометры используют для измерения перепадов давления в широком диапазоне. Основным эле­ментом прибора является гофрированная металлическая трубка, называемая сильфоном. В сильфонных маномет­рах, используемых для измерения избыточного давления и разрежения, имеется один сильфон. В дифманометрах-расходомерах (рис. 54,а) используют два сильфона 8 и 5, осуществляющих с помощью рычагов 1 и 4 передачу дви­жения сильфонов на стрелки 3 и 2.

Рис. 54. Сильфонный дифманометр:

а – конструкция прибора; б – общий вид дифманометра ДС-Э

Прибор имеет два штуцера подвода давления 6 и 7. На рис 54,б показан общий вид сильфонного дифманометра ДС-Э, входящего в ГСП. Он состоит из двух блоков: электросилового преобразователя 1и измерительного блока 2.

Мембранные дифманометры выпускают различных ти­пов в зависимости от размера мембраны и материала, из которого они изготовлены.

Мембрана разделяет плюсовый и минусовый сосуды дифманометра, к которым подводятся давления и . Сила, возникающая от разности давлений, уравновешивается силой упругой деформации мембраны.

На рис. 55 приведен мембранный дифманометр ДМ, чувствительным элементом которого является мембран­ный блок из двух коробчатых мембран, помещенных в отдельные камеры. Волнистые стенки каждой мембранной коробки сближаются и раздвигаются под воздействием внутреннего давления заполняющей коробки воды. Внут­ренние полости коробок сообщаются между собой через отверстие в перегородке. Мембранный блок заливают дистиллированной водой через ниппель, который после за­полнения заваривают. Таким образом, если сдавить одну из коробок, вода вытесняется в другую и ее стенки расхо­дятся. К центру верхней мембраны, расположенной в минусовой камере дифманометра, жестко закреплен шток со стальным сердечником, перемещающимся внутри дифференциально-трансформаторной катушки. Этот дифманометр обычно использовался в комплекте со вторичным прибором типа ЭПИД.

Рис. 55. Мембранный дифманометр ДМ:

а – общий вид; б – устройство; 1 – мембранный блок; 2 – стержень; 3 – плунжер; 4 – индукционная катушка; 5 – немагнитная трубка; 6 – импульсные трубки; 7 – запорные вентили; 8 – уравнительный вентиль

Вместо прибора ЭПИД в системе ГСП выпускаются вторичные приборы типа КСД.

Приборы типа КСД обеспечивают дистанционное изме­нение и регулирование давления, расхода, уровня, а также сигнализацию при достижении контролируемым парамет­ром заданного значения. Эти приборы используются в комплекте с колокольными дифманометрами типа ДК, ротаметрами типа РЭ, манометрами типа МЭД и другими дифференциально-трансформаторными датчиками. В при­борах типа КСД2 значение контролируемого параметра записывается на диаграммной ленте, а в приборах типа КСДЗ — на дисковой диаграмме. Общий вид и прин­ципиальная схема прибора КСДЗ приведены на рис. 56.

Для преобразования значения измеряемого параметра в выходной сигнал приборы типа КСДЗ могут быть снаб­жены различными регулирующими и выходными устрой­ствами: 10%-ным или 100%-ным реостатным задатчиком или позиционным электрическим регулятором, сигнальным устройством с контактами, преобразователями частотным или пневматическим для связи с

блоками ГСП. Приборы типа КСД выпускаются в нормальном, малогабаритном и миниатюрном исполнении по размерам корпуса.