Завдання на виконання роботи. 2.1. Познайомитись з лабораторним стендом вимірювання тиску.

2.1. Познайомитись з лабораторним стендом вимірювання тиску.

2.2. Вивчити загальну теорію вагопоршневих та деформаційних манометрів, а також деформаційних манометрів з дистанційною передачою та приладу РМ1.

2.3. Зняти реальні статичні характеристики перетворення трубчастих манометрів типів МТИ та МЕД в комплекті із РМ1, провести їхнє перевірення по зразковому манометру (МО).

2.4. Вивчити принцип дії, конструкцію, технічні характеристики та використовування електроконтактного мановакуумметра ЕКМВ.

2.5. Зняти реальну статичну характеристику перетворення мановакуум-

метра ЕКМВ та оцінити гістерезис його вихідних сигналів

двопозиційного регулювання.

2.6. По статичним характеристикам перетворення визначити абсолютну,

відносну та приведену похибки по діапазону вимірювання для всіх приладів та побудувати графіки для приладів МТИ та МЕД: а) реальної статичної характеристики перетворення та залежності діапазону вимірювання.

 

Загальна теорія деформаційних та вагопоршневих манометрів

Деформаційні манометри

Деформаційні ( далі ДМ) манометри, вакуумметри, мановауумметри, тягоміри, напороміри, диференціальні манометри та барометри складають велику групу приладів для технологічних вимірювань. Принцип дії деформаційних манометрівгрунтується на використанні деформації або моменту згинання різних пругких чутливих елементів (ПВП, рис.1,атарис. 2), які сприймають вимірюваний тиск середовища, та перетворюють його в переміщення або в зусилля. В ДМ вимірюваний тиск урівноважується величиною механічної напруженності в матеріалі первинного вимірювального

перетворювача (ПВП): Р_вим = К_пр ּ δ, (4)

де К_пр – коефіцієнт жорсткості пружного чутливого елемента, Н/м;

δ – деформація ПВП (чутливого елемента), м.

По виду ПВП ДМ ділять на наступні групи: ■ мембрані ПВП (рис.1,а та рис.2,в), в яких в якості ПВП використовується плоска або гофрована мембрана; ■ анероїдні ПВП (внутрішній тиск в коробці практично відсутній) та манометричні (вимірюваний тиск подається в середину коробки) коробки (рис.2,г та 2,д); ■ блоки анероїдних та манометричних коробок (рис. 3,2 та 2,ж); ■ пружинно-мембранні ПВП з гнучкою мембраною (рис.2,з); ■ сильфони (рис. 2,и); ■ пружинно-сильфонні ПВП (рис.2,к), ■ ПВП з одновитковою (рис.2,а) та багатовиткововими (гелікоїдальними, рис.2,б чи у вигляді спіралі) трубчастими пружинами.

■ Мембрана – це кругла еластична пластина, що закріплена по периметру. Розрізняють плоскі (рис.1,а), випуклі (хлопаючі), неметалеві (вялі, рис.2,з) та гофровані (рис.2,в) мембрани.

■ Плоскі мембрани виготовляють із сталі, латуні, фосфористої бронзи, кремнію тощо і являють собою круглі тонкостінні платини постійної товщини. Така мембрана (рис.1,а) прогинається (її центр переміщується на деяку величину δ, а пунктиром показано положення поверхні мембрани за відсутності тиску) не тільки під дією рівнорозподіленого по її поверхні тиску Р, але і від напруження одночасного розтягування. В наслідок цього така мембрана має нелінійну характеристику перетворення (ХП) δ=f(Р) і в приладах використовується тільки невелика початкова (відноно лінійна) частина її ходу δ. Плоскі мембрани використовуються у приладах тиску спеціальних конструкцій: п’єзокварцевих, ємнісних, індукційних та тензометричних.

■ Випукла (хлопаюча) мембрана має деяку початкову випуклість в сторону діючого на неї тиску і спочатку відбувається плавне її прогинання по ХП δ=f(Р) під дією зростаючого тиску до точки втрати стійкості, а далі вона стрибкоподібно змінює прогинання в протилежну сторону. При подальшому зростанні тиску в ній знову монотонно збільшується прогинання δ. Такі

мембрани використовуються в приладах контролю та сигналізації.

а) б)

Рис.1 Схеми перетворення: а) уніфікованого пневматичного сигналу в уніфікований електричний та б) тиску у переміщення δ в плоскій мембрані.

 

■ Неметалеві (вялі) мембрани (рис.2,з) виготовлють із тканини (капрон,

шовк) у вигляді сітки, яку покривають пластмасою або бензомастилостійкою гумою. Її забезпечують жорстким центром (≈ 0,8 робочого діаметру займає металева кільцеподібна пластина). Для забезпечення сталої ефективної площини, кільцева частина залишку виконується у вигляді гофру, який формується при виготовлені мембрани. Такі мембрани використовуються для вимірювання малих надлишкових тисків та різниць тисків.

Рис. 2. Деформаційні (пружинні) манометри.

 

■ Гофровані мембрани (рис. 2, в … ж). Гофри – це хвилеподібні кільцеві концентричні складки на плоскій мембрані, які значно лінеаризують ХП мембрани та підвищують надійність її роботи. Форми профілю гофру – сінусо-ідальні, пилкоподібні та трапецієвидні. Найчастіше використовуються в мемб-ранних коробках (рис.2, г та д) – дві спаяні або зварені по периметру гофровані мембрани. Розрізняють анероїдні (рис.2, г) коробки та блоки (рис.2,е), в яких

внутрішній тиск відсутній і які використовуються як ПВП в барометрах, та

манометричні коробки (рис.2, д) або блоки (рис.2, ж) манометричних коробок,

що використовуються для вимірювання навеликих надлишкових тисків та розріджень - як манометри, тягоміри та напороміри, а також для вимірювання різниці тисків в дифманометрах.

■ Сильфони (рис.2, и та к) – це тонкостінна трубка з гофрами, які являють собою глибокі хвилеподібні складки. Відрізняються прямолінійною залежністю зміщення δ дна сильфона від тиску. Розрізняють безшовні сильфони, які виготовляють гідравлічним або механогідравлічним методом із тонкостінних безшовних цільнотянутих трубок, та сильфони, що виготовлені методом зварювання по завнішньому та внутрішньому контурах із окремо штампованих гофрованих мембран. На стискування сильфони витримують тиск у 1,5 - 2 рази більший, чим при дії тиску із середини (рис.2, и). Сильфони випускаються на

тиски в межах від 0,0001 до 600 атм.

Розглянуті ПВП (чутливі елементи) пругко деформуються і переміщуються

під впливом (рис.2) різниці між внутрішнім Р₂ та зовнішнім Р₁ тисками.

Величина цієї деформації (переміщення) є мірою різниці цих тисків. При відсутності вимірюваного тиску, яким може бути або зовнішній або внутрішній тиск, чутливий елемент повертається у вихідне положення під дією пругкої деформації. Вихідний сигнал таких деформаційних ПВП тиску (переміщення) пере­творюються в конкретній конструкції вимірювального приладу (окремі приклади конструктивної реалізації цієї процедури показано на рис.: 2; 3,в; 4,а та 4,б) на показання значень виміряної величини тиску Р.

Деформація чутливого пругкого елемента в таких приладах обмежена або долями мм, або декількома мм. Тому в корпусі таких приладів, які відповідають тим чи іншим специфічним вимогам, крім основної частини (ПВП, пругкого чутливого елементу), знаходиться також передавальний механізм, який зас-тосовують для збільшення деформації пругкого чутливого елемента в необхід-ну кількість разів для переміщення показника по шкалі приладу (рис.3,в).

ДМ відрізняються простотою та надійністю конструкції, невеликими габа-

ритами, досить високою точністю, широким діапазоном вимірювання. Завдяки цим якостям деформаційні манометри широко застосовуються для вимірювання надлишкового тиску, розрідження та перепаду тиску, в різних галузях техніки

в діапазоні вимірювання від – 100 КПа до +1000 МПа.

3.2.Манометри з трубчастими пружинами.

На рис.3,в приведенакінематична схема та загальний вигляд з окремими складовими частинами манометра з трубчастою одновитковою пружиною, що отримав найбільше розповсюдження. В цьому манометрі в якості ПВП використовується трубчаста пружина 2. Один кінець трубки 2 закріплюють нерухомо на цоколі 1, який в свою чергу закріплений гвинтами в круглому корпусі 3 манометра. Через штуцер цоколя в трубку 2 подається вимірюваний тиск. Другий вільний кінець трубки є герметично запаяним і зв’язаний повідком 6 з передавальним механізмом 7, який в свою чергу складається із зубчастого сектора 5 та шестерні, на вісь якої закріплена стрілка 4. Трубчаста пружина (одновиткова манометрична пружина, трубка Бурдона) являє собою пружну тонкостінну металеву порожнисту трубку еліптичного або плоскоовального перерізу, вісь якої вигнуто по дузі кола радіусом R (рис. 3,а) на кут γ в межах (180–270)°. Із подачею тиску у внутрішню порожнину трубчастої пружини її переріз прагне набути форми кола (рис. 3,б), тобто, мала вісь (розміром 2а) овалу чи еліпса збільшується, а велика (розміром 2b), навпа­ки, зменшується. Так як довжина трубчастої пружини залишається незмінною, а один кінець її жорстко закріплений в цоколі, через який подається вимірюваний тиск Р, то в пружині зі зростанням тиску виникає внутрішня напруженість, яка приводить до її розкручування і переміщенню вільного кінця.

Докажемо це. Довжини внутрішньої та зовнішньої дуг трубчастої пружини (рис. 3,а) можна записати як:

(5)

де r і R – відповідно радіуси внутрішньої та зовнішньої дуг пружини;

γ - початковий кут закручення трубчастої пружини.

У разі деформування (зміни кута закручення) трубчастої пружини під дією

підведеного тиску Р до γ' відповідно зміняться радіуси внутрішньої та зовнішньої дуг (відповідно r' і R' ), але довжина дуг (фактично довжина

трубки) залишиться майже незмінною. Тому:

(6)

в)

Рис. 3. Схема зміни кута закручування одновиткової трубчастої пружини (а) та її перерізу (б) під дією тиску Р, та (в) - загальний вигляд трубчастого манометра

Віднявши від першого виразу другий, отримаємо:

(7)

або використовуючи рис. 3, б, з якого видно, що R - r = 2а а R'- r'= 2а', можемо записати: а ּ γ= а' ּ γ', (8)

де 2 а' – розміри малої осі еліпса (овалу) поперечного перерізу трубчастої

пружини після її деформації відповідно за рахунок подачі тиску Р у її

внутрішню порожнину.

А позаяк зі збільшенням тиску Р а' > а, то γ' < γ, тобто трубчаста пружина

розкручується. Величина зміни кута розкручування пружини Δγ дорівнює:

Δγ = γ[Δ а/ (а+ Δ а)], (9)

де Δ а - зміна довжини малої осі еліпса (овалу) під дією тиску.

Розкручування трубки спричинює лінійне переміщення l її вільного кінця:

l = Т * R (Δγ / γ), (10)

де Т - коефіцієнт, залежний від початкового кута γ трубчастої пружини;

Δγ / γ - відносний кут повороту вільного кінця пружини під дією тиску.

Трубчасті пружини ДМ виготовляють із латуні, томпаку, бронзи (сплав міді з цинком, свинцем або оловом), берилієвої бронзи, сталі різних складів, або в останній час із сплавів нікелю. Механічні властивості матеріалу пружини ДМ залежать від її хімічного складу, характеру механічної та термічної обробки при

виготовленні і температури, при якій вона повинна працювати, а також залежать від домішок і обробки.

Манометр має рівномірну шкалу в межах пругкої деформації пружини.

Промисловість випускає трубчасті манометри з одновитковою пружиною:

■ відтворюючі показання типів ОБМ, МТП;

■ відтворюючі показання та самописні типу МТС, зразкові – МО;

■ з диференційно-трансформаторним перетворювачем типу МЕД;

■ з електросиловим перетворювачем типу МП -Е;

■ з пнемо-силовим перетворювачем типу МП-П;

■ електроконтактні манометри ЕКМ та мановакуумметри ЕКМВ.

За призначенням трубчасті манометри поділяються на три групи:

■ зразкові (класи точності - 0,1;0,2; 0,35) - для повірки робочих манометрів в лабораторних умовах;

■ контрольні (класи точності - 0,4; 0,5;1,0) - для повірки робочих манометрів за місцем їх встановлення;

■ робочі (класи точності - 1,5;2,5;4,0) - для технічних вимірювань.

Манометри з гелікоїдальною пружиною (рис. 2,б) більш чутливі і мають

межі вимірювання від 0 до 160 МПа, клас 1,0; 1,5. Але є великогабаритними приладами. Практика показала, що для високих тисків навіть абсолютна пряма товстостінна трубка з ексцентричним повздовжним отвором, який не доходить до кінця, під дією тиску речовини, що подається в її середину, теж деформується. Такі недеформовані трубчаті пружини використовуються як чутливі елементи в приладах для вимірювання тиску від 1000 до 10000 кгс/см² (100 до 1000 МПа) і їхній клас точності не перевищує 1,0. На тиски більше 100 МПа іноді до звичайної зігнутої товстостінної труби приварюють з внутрішньої сторони металеву стрічку, яка еквівалентна ексцентричності отвору.

 

Рис. 4. Трубчаста пружина чотирьох-променевого(зірочного) перерізу.

Ще одна різновидність трубчастої пружини приведена на рис.4, в якій використовують зірочний переріз.Такий переріз можна собі уявити як два овальних перерізи, розташованих під кутом 90⁰ одне до одного. Кут повернення вільного кінця пружини за зміни тиску може сягати до (40-60)⁰.

У цьому випадку не має необхідності в передавальному механізмі, так як стріл-ка приладу може бути закріплена безпосередньо на вільному кінці пружини.