Пружиной: 1 - ниппель; 2 - держатель; 3 - кор­пус; 4 - ось; 5 - шестерня; 6 - пружи­на; 7 - трубчатая пружина; 8 - запаян­ный конец; 9 - зубчатый сектор; 10 -стрелка; 11 - тяга

Поверка образцового манометра

Цель работы: Изучить состав образцового манометра; углубление знаний по основам датчиков давления, приобретение навыков экспериментального исследования частных задач.

Задание: определить коэффициент

Задание:

1. Изучить принципу действия манометры на метрологическом стенде датчиков давления.

а) По техническому описанию образцового манометра изучить его состав, при этом уделить особое внимание на комплектующие устройства и на выполняющие ими функции;

б) Изучить рекомендации по поверке датчиков давления.

 

1 Основные понятия измерение давления

Давление является одним из важнейших физических параметров, и его измерение необходимо как в расчетных целях, например для определе­ния расхода, количества и тепловой энергии среды, так и в технологиче­ских целях, например для контроля и прогнозирования безопасных и эф­фективных гидравлических режимов напорных трубопроводов, исполь­зуемых на предприятии.

Давлением Р называют отношение абсолютной величины нормаль­ного, то есть действующего перпендикулярно к поверхности тела, вектора силы F к площади S этой поверхности. При равномерном распределении сил давление равно частному от деления нормальной составляющей силы давления на площадь, па которую эта сила действует.

 

2 Виды измеряемых давлений

На практике давления газообразных и жидких сред могут измеряться относительно двух различных уровней (рис. 1.1):

- уровня абсолютного вакуума, или абсолютного нуля давления

- идеализированного состояния среды в замкнутом пространстве, из которо­го удалены все молекулы и атомы вещества среды;

- уровня атмосферного, или барометрического давления (ГОСТ 8.271-77).

Рисунок 1.1 - Виды измеряемых давлений в точках 1, 2, 3 физического процесса

ДБ - давление барометрическое; ДА — давление абсолютное: ДИ - давление избыточное; ДВ - давление вакуумметрическос; ДД - давление дифференциальное

 

Давление, измеряемое относительно вакуума, называют давлением абсолютным (ДА). Барометрическое давление (ДБ) - это абсолютное дав­ление земной атмосферы. Оно зависит от конкретных условий измерения: температуры воздуха и высоты над уровнем моря. Давление, которое больше или меньше атмосферного, но измеряется относительно атмо­сферного, называют соответственно избыточным (ДИ) или давлением раз­режения, вакуумметрическим (ДВ). Очевидно, что ДА=ДБ+ДИ или ДА=ДБ-ДВ. При измерении разности давлений сред в двух различных процессах или двух точках одного процесса, причем таких, что ни одно из давлений не является атмосферным, такую разность называют дифферен­циальным давлением (ДД).

3 Классификация средств измерения давления

Для прямого измерения давления жидкой или газообразной среды с отображением его значения непосредственно на шкале, табло или индика­торе первичного измерительного прибора применяются манометры (ГОСТ 8.271-77). Если отображение значения давления на самом первич­ном приборе не производится, но он позволяет получать и дистанционно передавать соответствующий измеряемому параметру сигнал, то такой прибор называют измерительным преобразователем давления (ИНД) или датчиком давления.Возможно объединение этих двух свойств в од­ном приборе (манометр-датчик).

Манометры классифицируют по принципу действия и конструкции, по виду измеряемого давления, по применению и назначению, по типу

Рисунок 1.2 - Классификация манометров отображения данных и другим признакам (рис. 3.2)

 

По принципу действия манометры можно подразделить на:

- жидкостные (измеряемое давление уравновешивается гидро-статически столбом жидкости (воды, ртути) соответствующей высоты);

- деформационные (давление определяется по величине деформации
и перемещения упругого чувствительного элемента (УЧЭ) - мембраны,
трубчатой пружины, сильфона);

- электрические (давление определяется на основании зависимости
электрических параметров: сопротивления, емкости, заряда, частоты – чув-ствительного элемента (ЧЭ) от измеряемого давления).

- грузопоршневые (измеряемое или воспроизводимое давление гид­
ростатически уравновешивается через жидкую или газообразную среду
прибора давлением веса поршня с грузоприемным устройством и комплек­
том образцовых гирь);

По виду измеряемого давления манометры подразделяют на:

- собственно манометры (приборы для измерения избыточного и аб­
солютного давления);

- вакуумметры (приборы для измерения разрежения);

- мановакуумметры (приборы для измерения давления и разреже­
ния);

- барометры (приборы для измерения атмосферного давления);

- дифференциальные манометры (дифманометры) (приборы для из­
мерения разностного давления);

- напоромеры (приборы для измерения небольших (до 20-40 кПа) из­
быточных давлений газовых сред);

- тягомеры (приборы для измерения небольших (до 20-40 кПа) раз­
режений газовых сред);

- тягонапоромеры (приборы для измерения небольших (до 20-40
кПа) избыточных давлений и разрежений газовых сред);

- микроманометры (дифманометры с малым перепадом давления).
Технические характеристики всех этих средств измерения давления

определяются соответствующими общими техническими условиями (ГОСТ 2405-88, ГОСТ 18140-81 и др).

По области применения манометры подразделяют на:

- общепромышленные или технические (работающие в про­
мышленных условиях при перепадах температур и влажности окружаю­
щей среды, вибрациях, загрязнении внешней среды и т.п.);

- лабораторные (приборы повышенной точности для использования в
комфортных и стабильных условиях лабораторий);

- образцовые (для поверки рабочих манометров);

- эталонные (хранители единиц давления с целью передачи их образ­
цовым приборам);

- специальные (применяются в экстремальных условиях: на железно­
дорожном транспорте, судах, котельных установках, при работе с кислот­
ными и другими агрессивными средами).

По типу отображения значений измеряемого давления манометры подразделяют на:

- прямопоказывающие (с визуальным считыванием данных непо­
средственно по аналоговой (стрелочной) или цифровой шкале прибора);

- сигнализирующие (электроконтактные) (с выдачей управляющего
электрического сигнала путем замыкания или размыкания контактов при
достижении измеряемым давлением заранее установленного контрольного
значения);

- регистрирующие (самопишущие) (с записью в память значений
давления как функции времени и их отображением на электронном табло).

Манометры выполняют функцию локального контроля и в большин­стве случаев из-за отсутствия возможности дистанционного доступа к их показаниям (за исключением манометров с унифицированным выходным электрическим сигналом) не могут использоваться для целей современной автоматизации. Такую возможность обеспечивают измерительные преоб­разователи давления.

Классифицируются эти приборы по принципу действия, виду изме­ряемого давления и типу выходного сигнала (рис. 3.3). ИПД различаются, кроме того, по используемым единицам измерения и ряду основных тех­нических параметров (ГОСТ 22520-85).

По принципу действия или способу преобразования измеряемого давления в выходной сигнал ИПД подразделяются, прежде всего, на:

- деформационные (деформационные перемещения упругого чувст­
вительного элемента (мембраны, сильфона, трубки Бурдона) трансформи­
руются с помощью дополнительных промежуточных механизмов и преоб­
разователей в электрический или электромагнитный сигнал);

- электрические (измеряемое давление, оказывая воздействия на чув­
ствительный элемент, изменяет его собственные электрические параметры: сопротивление, ёмкость или заряд, которые становятся мерой этого давле­ния).

В последние годы получили развитие и другие принципы создания ИПД: волоконно-оптические, гальваномагнитные, объемного сжатия, аку­стические, диффузионные и т.д.

Рисунок 1.3 - Классификация измерительных преобразователей

Давления

По виду измеряемого давления ИПД подразделяются на:

- преобразователи абсолютного давления (ДА);

- преобразователи избыточного давления (ДИ);

- преобразователи вакууметрического давления (ДВ);

- преобразователи избыточного/вакууметрического давления (ДИВ);

- преобразователи дифференциального давления (ДД);

- преобразователи гидростатического давления (ДГ).

По выходному сигналу ИПД подразделяются на:

- аналоговые (измеряемое давление преобразуется в аналоговый
унифицированный пневматический или электрический сигнал);

- цифровые.

Основной парк действующих ИПД относится к аналоговым с уни­фицированным токовым сигналом С..5, 0...20 или 4...20 мА. В последнее десятилетие наметился переход к ИПД с цифровым выходом. Широкое распространение получил цифровой протокол HART. Этот открытый стан­дартный гибридный протокол двунаправленной связи предусматривает пе­редачу цифровой информации поверх стандартного аналогового сигнала 4...20 мА, Бурно развивается системная интеграция первичных преобразо­вателей с использованием различных разновидностей промышленных се­тей (Foundation Fieldbus, ModBus, Profibus и др.). При этом используется полностью цифровой коммуникационный протокол для передачи инфор­мации в обоих направлениях между ИПД и системами управления, суще­ственно облегчая взаимозаменяемость приборов разных мировых произво­дителей. В отечественных цифровых ИПД пока преобладают такие цифро­вые интерфейсы, как ИРПС (интерфейс радиальной последовательной свя­зи) и RS-232C.

Манометры с трубчатой пружиной - один из наиболее распростра­ненных видов деформационных приборов. Чувствительным элементом та­ких приборов является согнутая но дуге окружности и запаянная с одного конца трубка 1 (трубка Бурдона) эллиптического, плоскоовального сечения или круглого сечения (рис. 3.4). Третий вид трубок выполняют из легиро­ванной стали и используют для измерения высоких давлений (свыше 98 МПа).

 

 

Рисунок 1.4 - Трубчатая пружина Бурдона: а - эллиптического сечения; б-плоскоовального сечения; в - круглого сечения; 1 - трубка; 2 - держатель

Одним концом трубка заделана в держатель 2, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки. Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшается и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления обусловлено изменением формы сечения. Под действием давления внутри трубки эл­липтическое или овальное сечение, деформируясь, приближается к круговому, что приводит к раскручиванию трубки, т.е. угловому перемещению ее свободного конца на небольшую величину Δ.

В трубках круглого сечения, благодаря эксцентричному каналу, из­быточное давление, действуя на заглушку свободного конца трубки, созда­ет момент, вызывающий уменьшение ее кривизны. Это перемещение в оп­ределенных пределах пропорционально измеряемому давлению.

Перемещение свободного конца до определенного предела пропорционально давлению Δ =k·Р. При дальнейшем повышении давления линейная зависимость нарушается - деформация начинает расти быстрее увеличения давления. Предельное давление, при котором еще сохраняется линейная зависимость между перемещением конца трубки и давлением, называется пределом пропорциональности трубки Р_п. Предел пропорциональности является важнейшей характеристикой трубки. При переходе давления за предел пропорциональности трубка приобретает остаточную деформацию и становится непригодной для измерения. Чтобы не допустить возникновения остаточной деформации, наибольшее рабочее давление Р _{т ах} (разрежение или разность давлений) назначают ниже предела пропорциональности Р_п. Отношение Р_и/Р_тах ⁼ к называется коэффициентом запаса. Во всех случаях коэффициент к должен быть больше единицы. Для максимального увеличения долговечности трубки и снижения влияния упругого последействия принимают к = 1,35 ÷2,5.

В соответствии с этим шкалу манометра (верхний предел измерения) выбирают таким образом, чтобы рабочий предел измерения (наибольшее рабочее давление) был не более 3/4 верхнего предела измерения при по­стоянном давлении и не более 2/3 верхнего предела измерения при пере­менном давлении.

Верхние пределы измерения манометра выбирают из ряда: (1; 1,6; 2,5; 4 и 6) • 10^п, где п - целое положительное или отрицательное число.

Перемещение Δ свободного конца трубки под действием давления весьма невелико, поэтому в конструкцию прибора введен передаточный механизм, увеличивающий масштаб перемещения конца трубки. Конст­рукция манометра с трибко-секторным передаточным механизмом показа­на на рис, 3.5.

Манометры с трубчатой пружиной изготовляют на давление до1000 МПа.

Рисунок 3.5 - Манометр с трубчатой

пружиной: 1 - ниппель; 2 - держатель; 3 - кор­пус; 4 - ось; 5 - шестерня; 6 - пружи­на; 7 - трубчатая пружина; 8 - запаян­ный конец; 9 - зубчатый сектор; 10 -стрелка; 11 - тяга.

Рисунок 3.7 -Мембрана и ее прогиб

Мембранные приборы. Приборы с чувствительным элементом в виде плоских и гофрированных мембран, мембранных коробок и мембран­ных блоков применяют для измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов дав­ления (дифманометры).

Мембрана представляет собой тонкий диск определенного диаметра, выполненный из металла или специ­ального упругого материала, который жестко закрепляется по периметру в измерительном блоке (рис. 3.8). Под воздействием измеряемого давления Pi (при условии Р₁> P₂, где Р₂ - внеш­нее давление) происходит прогиб мембраны на величину h, что в дальней­шем приводит к преобразованию этого перемещения во вращательное движение стрелки прибора.

a) б) Рисунок З.8 - Упругие мембраны: a - плоская; б - гофрированная

Мембраны делят на упругие и «вялые». Упругие мембраны выпол­няют из тонких металлических пластин (сталь, бронза, латунь). Они обла­дают достаточно большой собственной жесткостью, их статические харак­теристики, представляющие зависимость перемещения h центра мембраны или развиваемой силы от давлений Р₁ и Р₂ или перепада Δ Р=Р₁ - Р₂, обыч­но нелинейны. Применяют плоские и гофрированные упругие мембраны (рис.3.8, а,б). Наличие гофров делает статическую характеристику мембра­ны более линейной.

Упругие мембраны используют, преимущественно, как чувствитель­ные элементы в первичных преобразователях, например, в дифманометрах. «Вялые» мембраны выполняют из прорезиненной тонкой ткани (ка­прон, шелк, полотно). К ним предъявляют два требования - отсутствие собственной жесткости и большая прочность. Эти требования вытекают из основного назначения «вялых» мембран - преобразовывать большие пере­пады давлений в силу при крайне малых перемещениях (порядка сотых долей мм). «Вялые» мембраны обычно снабжены металлическим жестким центром. Они также могут быть плоскими и гофрированными.

Рисунок 3.9 - Мембранные чувствительные элементы: а - мембранная коробка; б - мембранный блок

Величина прогиба мембраны является сложной функцией дейст­вующего на нее давления, ее геометрических параметров (диаметра, тол­щины, числа и формы гофров), а также модуля упругости материала мем­браны. Число, форма и размеры гофра зависят от назначения прибора, пре­делов измерения и других факторов. Гофрировка мембраны увеличивает ее жесткость, т.е. уменьшает прогиб при одинаковом давлении. Из-за слож­ности расчета в большинстве случаев характеристику мембраны подбира­ют опытным путем.

Для увеличения про­
гиба в приборах для малых
давлений (разрежений)

мембраны попарно соеди­няют (сваркой или пайкой) в мембранные коробки (рис. 3.10,а), а коробки - в мем­бранные блоки (рис. 3.10,6).

Сильфонные приборы. Сильфон - это тонкостенная металлическая камера с гофрированной боковой поверхностью (рис. 3.11). Изготавливают сильфоны из латуни, а также из нержавеющей стали или бериллиевой бронзы. Они применяются в качестве чувствительных элементов приборов давления, которые своевременно и точно реагируют на изменение давления.

При действии нагрузки (внешнего Р₂ или внутреннего Р₁ давления) длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы. Наличие гофров позволяет перемещать подвижную часть сильфона на значительное расстояние (десятки миллиметров) без заметного изменения его характеристик. Выходная координата сильфона - перемещение h, входные - давления Р₁ и Р₂ или их разность Δ Р.

Рисунок 3.10 Сильфон

Существенными недостатками сильфонов являются значительный гистерезис и некоторая нелинейность характеристики. Для увеличения жесткости, уменьшения влияния гистерезиса и нелинейности часто внутрь сильфона помещают винтовую цилиндрическую пружину. В этом случае характеристика сильфона изменяется, так как к жесткости сильфона добавляется жесткость пружины. Жесткость пружины обычно в несколько раз превышает жесткость сильфона, благодаря чему резко уменьшается влияние гистерезиса сильфона и некоторой нелинейности его характеристики. Расчетные формулы основных размеров сильфонов весьма сложны и не всегда подтверждаются опытом. Обычно диаметр сильфонов находится в пределах 20 - 80 мм.