Деформационные манометры

По принципу преобразования измеряемого давления

В зависимости от принципа, используемого для преобразования силового воздействия давления на чувствительный элемент в показания или пропорциональные изменения другой физической величины, средства измерения давления разделяются на жидкостные, деформационные, грузопоршневые, электрические, ионизационные и тепловые приборы.

По устройству приборы для измерения давления можно разделить на пять основных групп общепромышленных измерительных приборов и преобразователей ГСП:

1) механические,

2) с дифференциально-трансформаторными преобразователями,

3) с компенсацией магнитных потоков,

4) с силовой компенсацией,

5) с тензопреобразователями.

Каждая из групп при общей элементной базе и установочных размерах обеспечивает измерение и преобразование давления в унифицированный сигнал в пределах, регламентируемых ГОСТ 18140-77, 2405-72, 2648-78 и указанных в табл. 7.2. Для перехода от мегапаскалей к килограмм-силы на квадратный сантиметр и от килопаскалей к килограмм-силы на квадратный метр члены соответствующих рядов умножаются на 10^-1 и на 10².

Таблица 7.2

Пределы измерения приборов давления

Прибор	Единица измерения	Предел измерения
нижний	верхний
Манометры	МПа		(0,6; 1; 1,6; 2,5; 4) ×10 ^n n = –l; 0; l; 2; 3
Вакуумметры	МПа	–0,06; –0,1
Мановакуумметры	МПа	–0,1	0,06; 0,15; 0,3; 0,5; 0,9; 1,5; 2,4
Манометры абсолютного давления	кПа МПа		6; 10; 16; 25; 40 (2,5; 4; 6; 10; 16; 15) ×10 ^n; n = –2, –1
Напоромеры, дифманометры – напоромеры	кПа		(1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40) ×10 ^n; n = –1; 0
Тягомеры, дифманометры – тягомеры	кПа	– (1,6; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 40) ×10 ^n; n = –1; 0
Тягонапоромеры, дифманометры – тягонапоромеры	кПа	– (0,8; 1,25; 2; 3; 5; 8; 12,5; 20) ×10 ^n; n = –1; 0	(0,8; 1,25; 2; 3; 5; 8; 12,5; 20) ×10 ^n; n = –1; 0
Дифманометры – расходомеры	кПа МПа		1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 16; 25 (0,4; 0,63; 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3) ×10^-1

В деформационных манометрах используется зависимость деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления. Пропорциональная давлению деформация или сила преобразуется в показания или соответствующие изменения выходного сигнала. Большинство деформационных манометров и дифманометров содержит упругие чувствительные элементы, осуществляющие преобразование давления в пропорциональное перемещение рабочей точки.

Наиболее распространенные упругие чувствительные элементы представлены на рис. 7.1, к их числу относятся трубчатые пружины (рис. 7.1, а), сильфоны (рис. 7.1, б), плоские и гофрированные мембраны (рис. 7.1, в, г), мембранные коробки (рис. 7.1, д), вялые мембраны с жестким центром (рис. 7.1, е).

Рис. 7.1. Упругие чувствительные элементы

Статической (упругой) характеристике чувствительного элемента, связывающей перемещение рабочей точки с давлением, присуще наличие начальной зоны пропорциональных перемещений рабочей точки, в которой имеют место упругие деформации, и нелинейной области, в которой возникают пластические деформации. Несовершенство упругих свойств материалов чувствительных элементов обусловливает наличие гистерезиса статической характеристики и упругое последействие. Последнее проявляется в запаздывании перемещения рабочей точки по отношению к приложенному давлению и медленном возвращении ее в начальное положение после снятия давления.

Форма и крутизна статической характеристики зависят от конструкции чувствительного элемента, материала, температуры. Рабочий диапазон выбирается в области упругих деформаций с обеспечением запаса на случай перегрузки чувствительного элемента давлением. Упругие свойства чувствительных элементов характеризуются коэффициентом жесткости по силе:

,

где F – сила, действующая на упругий чувствительный элемент (перестановочное усилие), S _э – эффективная площадь элемента; h – перемещение рабочей точки.

Полые одновитковые трубчатые пружины (рис. 7.1, а), имеют эллиптическое или плоскоовальное сечение. Один конец пружины, в который поступает измеряемое давление, закреплен неподвижно в держателе, второй (закрытый) может перемещаться. Под действием разности измеряемого внутреннего давления и внешнего атмосферного трубчатая пружина деформируется: малая ось сечения трубки увеличивается, большая уменьшается, при этом пружина раскручивается, и ее свободный конец совершает перемещение в 1¸3 мм. Для давлений до 5 МПа трубчатые пружины изготовляют из латуни, бронзы, а для более высоких давлений – из легированных сталей и сплавов никеля.

Сильфонные и мембранные чувствительные элементы имеют более широкие возможности для увеличения эффективной площади с целью получения требуемого перестановочного усилия, что позволяет использовать их для измерения малых избыточных давлений и разрежения. Сильфон (рис. 7.1, б) представляет собой тонкостенную трубку с поперечными кольцевыми гофрами на боковой стенке. Жесткость сильфона зависит от материала, наружного и внутреннего диаметров, толщины стенки заготовки, радиуса закругления гофр r, угла их уплотнения a и числа гофр. Сильфоны бывают цельнотянутыми и сварными.

Наиболее разнообразными по конструкции являются чувствительные мембранные элементы. Представленная на рис. 7.1, б плоская или пластинчатая мембрана представляет собой гибкую тонкую пластину, закрепленную по окружности.

Под действием разности давлений, действующих с обеих сторон на мембрану, ее центр перемещается. Плоская мембрана имеет упругую нелинейную характеристику и малые перемещения рабочей точки, в связи с чем ее в основном применяют для преобразования давления в силу (пьезоэлектрические преобразователи) или поверхностные деформации (тензопреобразователи).

Для улучшения статической характеристики используют гофрированные мембраны и мембранные коробки (см. рис. 7.1, г, д). Профили мембран могут быть пильчатыми, трапецеидальными, синусоидальными. Гофрирование мембраны приводит к увеличению ее жесткости, спрямлению статической характеристики и увеличению зоны пропорциональных перемещений рабочей точки. Более широко используются мембранные коробки, которые представляют собой сваренные или спаянные по внешней кромке мембраны. Жесткость коробки вдвое ниже жесткости каждой из мембран. В дифманометрах, чувствительных элементах регуляторов прямого действия используются мембранные блоки, включающие две коробки и более.

В напоромерах и тягомерах применяются вялые мембраны (см. рис. 7.1, е), изготовленные из бензомаслостойкой прорезиненной ткани. В центре мембраны крепятся металлические пластины, в одну из которых упирается винтовая пружина, выполняющая функции упругого элемента.

Упругие свойства материалов чувствительных элементов зависят от температуры; так, у трубчатых пружин температурный коэффициент снижения жесткости при росте температуры достигает 3×10^-4 1/°C. Это определяет необходимость защиты приборов от воздействия высоких температур измеряемой среды. С течением времени у упругих чувствительных элементов накапливаются пластические деформации и уменьшаются упругие свойства. Это приводит к снижению крутизны статической характеристики прибора и ее смещению. Процесс изменения статической характеристики ускоряется при повышенной температуре и пульсации измеряемого давления. Конструкция деформационных манометров и дифманометров обычно предусматривает возможность коррекции отклонений показаний или выходного сигнала, вызванных старением упругого чувствительного элемента.

В соответствии с используемым типом чувствительного элемента деформационные манометры разделяются на трубчато-пружинные, сильфонные и мембранные манометры.

Дата добавления: 2014-01-04