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 Рп. 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 Рп. Отношение Ри/Ртах = 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) • 10п, 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.
