Манометры пружинные

метки: Манометр, Давление, Прибор, Пружина, Пружинный, Разность, Класс, Кольцевой

2 МАНОМЕТР С ИНДУКЦИОННЫМ ДАТЧИКОМ

2.1 Классификация манометров

Д авление является важным физическим параметром, характеризующим химические тех­нологические процессы. От измерения и регулирования давления часто зависят результаты химического производства. В качестве единицы давления в Международной системе единиц (СИ) при­нимаетя ньютон па квадратный метр. Эта единица имеет малый размер, в связи с чем удобнее пользоваться килоньютонами или меганьютонами на квадратный метр. В тех­нике пользуются такими единицами давления, как миллиметр водяного столба.

Для измерения избыточного давления (т. е. разности между абсолютным и атмосферным давлением) применяются манометры, для и измерения разрежения — вакуумметры, а для измерения разности между давлениями в двух средах — дифференциальные манометры (дифманометры).

Дифманометры широко применяются в качестве вторичных приборов для измерения расхода, уровня, плотности и других величин.

По принципу действия наиболее распространенные приборы для измерения давления можно разделить на следующие группы: пружинные, жидкостные и кольцевые.

Характеристики манометров:

• классы точности;
• с функцией демпфирования или без нее;
• различные диапазоны индикации (область высокого и низкого давления);
• корпусы различных диаметров;
• различные типы соединительных резьб и их положений;
• различные возможности монтажа.

Классификация манометров по принципу действия:

Рисунок 2.1 – Классификация манометров

Пружинные манометры

Принцип действия пружинных манометров состоит в использовании уп ругой деформации специальных пружин, возникающей под действием измеряемого давления. Величина этой деформации передается

По типу пружин манометры делятся па следующие группы: с одновитковой кольцевой трубчатой пружиной, с винтовой (гели­коидальной) трубчатой пружиной, сильфонные, с плоской мембраной, с мембранной коробкой.

Методы и средства измерения давления

... из видов давления при измерениях применяются специальные средства измерений - манометры и измери­тельные преобразователи давления. Манометр — измерительный прибор или измерительная установка для измерения давления или разности давлений с непосредственным от­счетом их значения. Измерительный преобразователь давления (датчик) — первичный ...

Приборы рассчитаны для работы при температуре окружающего воздуха от —4 до +60° С. Выпускаются манометры класса точно­сти: 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Образцовые манометры могут достигать класса точности 0,16. Основная допустимая погрешность опреде­ляется для приборов с односторонней шкалой — в процентах от верхнего предела показаний; для приборов с двусторонней шкалой с нулем посередине — в процентах от суммы пределов показаний; для приборов с безнулевой шкалой — от разности преде­лов показаний.

Цена деления шкалы прибора зависит от класса точности прибора и верхне­го предела измерения.

В таблице 2.1 приведена цена де­ления шкалы для маномет­ров с верхним пределом из­мерения 1; 6 и 25 кгс/см ² (98, 590, 2450 кПа) и клас­сом точности 0,5; 1,5 и 5. Пружинные манометры могут быть показывающими, самопи­шущими и бесшкальными, имеющими встроенный преобразователь­ный элемент для дистанционной передачи показаний. Прибор мо­жет совмещать в себе все три устройства, т. е. иметь показывающую шкалу, диаграмму, записывающее устройство и встроенный преоб­разовательный элемент.

Имеются модификации приборов, в которые встроено контакт­ное устройство. Это устройство замыкает контакты в определенных точках шкалы. Таким образом может осуществляться сигнализа­ция на щит диспетчера об отклонении параметра ниже или выше допустимых пределов.

Пружинные манометры с трубчатой пружиной изготовляют в круглом корпусе из стали, чугуна, алюминиевого сплава или пласт­массы. Корпус прибора может иметь борт-фланец, где имеются от­верстия под болты, с помощью которых прибор крепится к стене. Для приборов, устанавливаемых непосредственно на месте измере­ния, борт не делается.

Корпус приборов имеет штуцер для подвода давления. Штуцер прибора бывает радиал ьным или осевым. Радиальный штуцер вре­зается в обечайку манометра снизу, а осевой — в заднюю стенку прибора.

Для измерения давления кислорода, водорода, ацетилена, ам­миака и других веществ применяют манометры специального ис­полнения. Корпусы этих манометров окрашивают в различные цве­та, которые определяются видом газа (таблица 2.2).

В приборах с кор­пусом из черной пластмассы в указанные цвета окрашивается коль­цо, прижимающее стекло прибора.

При монтаже прибора с контактным устройством надо убедиться в том, что прибор ставится в невзрывоопасной среде.

Таблица 2.1 — Цена деления шкалы в зависимости от класса точности

прибора

Верхний предел показаний	Цена деления при классе точности
	0.5	1.5	0.05
1	0.005	0.02	0.05
6	0.05	0.1	0.5
25	0.2	0.5	1

Некоторые модификации манометров с контактным устройством выполняют во взрывобезопасном исполнении.

Шкалы манометров с трубчатой пружиной имеют равномерные деления. Угол концентрической шкалы 270°. Чтобы пружина не те­ряла свою форму при дли­тельной работе, рабочий ход свободного конца пружины делается небольшим и при­ходится применять переда­точный механизм с большим повышающим коэффициен­том передачи.

Таблица 2.2 — Цена окраски приборов в зависимости от вида

Вид газа	Цвет окраски
Водород	Темно- зеленый
Кислород	Голубой
Ацетилен	Белый
Хлор и фосген	Серовато — зеленый
Остальные горючие газы	Красный

Трубчатую пружину ма­нометра изготовляют для приборов малого и среднего давления из латуни, а для приборов высокого давления — более 200 кгс/см2 (20 000 кПа) из стали. Пружина в сечении имеет овальную или эллипсовидную форму. Это и является причиной разгибания трубки. При подводе давле­ния к трубке форма сечения трубки стремится к окружности. Сече­ние становится более выпуклым, т. е. увеличивается малая ось эллипса. В результате этого в металле возникают напряжения, ко­торые служат причиной выпрямления трубки. У вакуумметров из трубки откачивается воздух, поэтому она еще больше сжимается.

Манометры с кольцевой трубчатой пружиной получили наиболее широкое распространение благо­даря простоте устройства, большому диапазону измерений, возможности дистанционной передачи и регистрации показаний. Действие приборов этого типа основано на изменении величины малой оси овального или эллиптического сечения трубчатой пружины, имеющей форму кольца, под влиянием давления. При увеличении давления пружина раскручивается, а при уменьшении — скручивается.

Один конец пружины 2 (рисунок 2.2) закреплен неподвижно в дер­жателе 3, а другой конец в зависимости от изменения давления перемещается в направлении слева вверх направо или справа вниз налево. При своем движе нии этот конец тянет за поводок 5 (максимальное перемещение 5- 8мм), который поворачивает зуб­чатый сектор 6, сцепленный с, маленькой шестерной 8 (трибкой), жестко связанной со стрелкой 9.

Рядом с трибкой расположена спиральная пружинка (волосок) 12, один конец которой соеди­нен с трибкой, а другой закреплен неподвижно на стойке пере­даточного механизма. Пружинка предназначена для выборки мертвого хода зубчатого зацепления.

При выборе приборов с кольцевой пружиной следует придер­живаться правила, что максимальное рабочее давление не должно выходить при спокойном режиме за пределы 2/3 шкалы, а при резких колебаниях давления — 1/2 шкалы; минимальное рабочее давление не должно быть ниже 1/3 шкалы.

1-корпус; 2- трубчатая пружина; 3-держатель; 4- ниппель; 5- поводок-

тяга; 6- зубчатый сектор; 7- ось тяги; 8- шестерня; 9- стрелка; 10- шкала; 11-стекло; 12- спиральная пружина.

Рисунок 2.2- Манометр с трубчатой пружиной

При выборе приборов с кольцевой пружиной следует придер­живаться правила, что максимальное рабочее давление не должно выходить при спокойном режиме за пределы 2/3 шкалы, а при резких колебаниях давления — 1/2 шкалы; минимальное рабочее давление не должно быть ниже 1/3 шкалы.

Манометры с кольцевой трубчатой пружиной изготовляются всех классов точн ости. В такие манометры встраиваются электри­ческие контакты для регулирования и сигнализации.

Винтовая или геликоидальная трубчатая пружина может рассматриваться как пружина, состоящая из нескольких кольцевых трубок, соединенных последовательно друг с другом, вследствие чего свободный конец пружины перемещается значительно больше, чем у кольцевой трубки.

Число винтов винтовой трубки колеблется от 2,5 до 9, а суммарный угол раскручивания дост и­гает 54⁰ С, что при помощи простой рычажной пере­дачи позволяет получать достаточно большое пере­мещение стрелки и пера.

Существует много модификаций манометров с винтовой пружиной: по­казывающие, самопишу­щие, с датчиком для дистанционной передачи, с регулирующими устройствами.

Манометры с винтовой пружиной имеют верхние пределы измерения от 0,5 до 20 Мн/м ² . Эти мано­метры относятся к прибо­рам класса точности 1,5.

Для измерения давле­ния агрессивных или вязких сред применяются манометры с плоской мембраной, имеющей концент­рические гофры.

Мембрана 1 (рисунок 2.2) зажата между двумя фланцами 2, являющимися нижней частью корпуса манометра. На мембрану с нижней стороны дей­ствует давление измеряемой среды, а сверху — атмосферное давление. Закрепленный в центре мембраны штифт 3 перемещается с мем­браной при ее прогибе под действием избыточного давления среды. Связанный со стержнем 3 поводок 4 воздействует на сектор 6, который, вращаясь вокруг своей оси, поворачивает на соответствующий угол шестеренку 7 с закрепленной на ней

Для предохранения измерительной части манометра от воздействия агрессивных сред мембрану изготовляют из серебра, нержавеющей стали марки 1Х18НТ9 или покрывают ее фольгой из химически стойкого материала.

В качестве упругого элемента в сильфонных манометрах при­меняются подпружиненные сильфоны — гармониковые мембраны. Сильфон (рисунок 2.4), изготовленный из латуни или специальной стали, закреплен в кожухе 2. Пространство между кожухом и мем­браной сообщается с измеряемой средой трубкой 3. Под действием разности давлении (рабочего и атмо­сферного, действующего с внутрен­ней стороны сильфона) сильфон и пружина 4 сжимаются. Перемещение вверх дна сильфона передается посредством четырехзвенного рычажного механизма 5 стрелке (перу) 6, записывающему показания на дисковой диаграмме 7.

1- плоская мембрана; 2- фланцы; 3- штифт; 4-поводок; 5- ниппель; 6- зубчатый сектор; 7- шестерня; 8- стрелка; 9- шкала.

Рисунок 2.3 — Манометр с плоской мембраной

Сильф онные манометры имеют верхние пределы измерения от 30 до 500 кн/м² и относятся к прибо­рам класса точности 1,5.

Эти приборы выпускаются в различных модификациях: показывающие, самопишущие, с сигнализирующими и регулирующими устрой­ствами и др. В ряде случаев на шкалы манометров нано­сится красная черта, соответствующая максимально допусти­мому давлению; в других случаях применяют контрольную стрелку, которая передвигается показывающей стрелкой в одном направлении — к верхнему пределу шкалы. Оба эти устройства не могут обеспечить полного контроля, поскольку красная черта не дает возможности проверить, отклонялось ли давление от задан­ного значения, а контрольная стрелка не указывает ни количества отклонений, ни времени, когда они происходили. Поэтому приме­няются электроконтактные манометры, позволяющие сигнализиро­вать о достижении максимального или минимального давления, а также осуществлять двух- и трехпозиционное регулирование.

1- сильфон; 2- кожух; 3- подводящая трубка; 4- пружина; 5- рычажный передаточный механизм; 6- стрелка; 7-диаграмма.

Рисунок 2.4 — Схема сильфонного манометра

Электроконтактные манометры (рисунок 2.5) отличаются от обыч­ных тем, что в них добавлены специальные электроконтакты. Выполняются в виде двух стрелок, которые можно устано­вить на любое деление шкалы вращением головки, выведенной на наружную сторону стекла. Контакты замыкаются либо непосред­ственно показывающей стрелкой, либо второй стрелкой, которую ведет при помощи особого изолированного штифта показывающая

При выборе манометров необходимо учитывать свойства вещества, давление которого нужно измерять. Так, в манометрах для ацетилена нельзя применять детали из сплавов, содержащих более 70% меди: при соприкосновении таких сплавов с ацетиле­ном образуется взрывчатое вещество — ацетиленистая медь. Для кислородных манометров чрезвычайно опасно попадание в прибор масла; это грозит взрывом. Весьма важно также защитить измерительную часть приборов от вредного воздействия среды. Самым радикальным средством является применение разделительных сосудов (рисунок 2.6) с использованием неагрессивной, невязкой и незамерзающей разделительной жидкости или применение манометров с плоской мембраной (рисунок 2.3).

1- показывающая стрелка; 2, 3- контактные стрелки; 4- контактная стрелка, ведомая показывающей стрелкой; 5- контакты контактных стрелок; 6- контакт показывающей

Рисунок 2.5 — Электроконтактный манометр

В качестве разделительной жидкости применяют водный раствор глицерина, этиленгликоль, соляровый дистиллат, бензин, ртуть и т. п. Выбор жидкости зависит от свойств измеряемой среды, места установки, внешних условий и типа манометра. Разделительная жидкость не должна реагировать с измеряемой средой и растворять ее в заметных количествах.

На паровых линиях для предохранения манометра от действия пара с высокой температурой устанавливаются сифонные трубки (рисунок 2.6, в).

Если измеряемая среда имеет большую вязкость или при низких температурах может затвердеть, необходимо применять соответствующий обогрев, а разделительный сосуд установить в непосредственной близости от места из мерения. В некоторых случаях рекомендуется применять специальные методы защиты манометров путем продувки линии инертным газом между местом отбора давления и манометром (при измерении давления газов) и прокачку этого участка другой жидкостью (при измерении давле­ния жидкостей).

Измеряя пуль сирующие давления (например, за насосами и компрессорами), перед манометрами включают буферное или демпфирующее устройство в виде сосуда-расширителя с малыми входным и выходным отверстиями (рисунок 2.6, г).

При измерении высокого давления, а также давления взрыво опасных сред применяются специальные устройства, которые предотвращают проникновение среды в помещение с контрольными приборами в случае разрыва импульсной трубки или трубчатой пружины.

а, б — разделительные сосуды с защитной жидкостью от агрессивных сред; в- сифон для защиты от высокой температуры; г- демпфер для защиты манометра от резких изменений давления.

Рисунок 2.6 — Разделительные устройства между манометрами и

местом отбора давления

Дифференциальный манометр типа ДМ-6 — бесшкальный прибор с электрической дистанционной передачей показаний; он может служить датчиком в дифференциально-транс­форматорной схеме для измерения расхода, уровня, плотности и т. п.

Чувствительным элементом прибора являются сообщающиеся металлические мембранные коробки 1 и 2 (рисунок 2.7), закрепленные на разделительной диафрагме 5 при помощи штуцеров 3 и 4. Мембранная коробка расположена в плюсовой камере прибора, а коробка 2 — в минусовой.

Камеры образованы двумя стальными крышками 6 и 7 и диафрагмой 5, скрепленными бо лтами 8. Внут­ренние полости мембранных коробок заполнены через ниппель 9 дистиллированной водой. На верхней мембранной коробке 2 укреплен стержень 10, несущий стальной плунжер 11, переме­щающийся внутри разделительной трубки 12 из немагнитной стали. На трубку 12 надета катушка индуктивного датчика 13.

Под воздействием разности давлений, подаваемых в камеры прибора по трубкам 14 и 15, мембранная коробка 1 сжимается, вытесняя находящуюся в ней воду в коробку 2, что вызывает перемещение вверх плунжера 11. Движение плунжера происхо­дит до тех пор, пока сила, вызванная перепадом давления, не уравновесится силами упругой деформации мембранных коробок.

Если перепад давлений превысит предельный или одна из мембранных коробок окажется под односторонним давлением, возможность ее повреждения исключается, так как обе ее мембраны сложатся по профилю, вытеснив из своей полости всю воду в дру­гую коробку.

Дифференциальные манометры типа ДМ-6 изготовляются на пределы от 40 до 2500 мм рт. ст. и на рабочее давление 6,4; 10; 16 Мн/мм ² . Класс точности этих приборов 1,5.

Широкое применение в промышленности имеют также бесшкальные дифманометры с пневмодатчиком типа ДМПК. Перепад давления контролируемой среды преоб­разуется дифманометром в пропорциональное этому перепаду» давление сжатого воздуха.

Манометры с мембранной коробкой исполь­зуются в качестве тягомеров и тягонапоромеров.

Измеряемое давление подводится по трубке 1 (рисунок 2.8) в мембранную коробку 2, состоящую из двух гофрированных мембран. При повышении давления мембранная коробка раздувается, деформация ее через штифт 3, припаянный к верхней мембране, передается коленчатому рычагу 4, который через тягу 6 и рычаг 7 поворачивает

1, 2 — мембранные коробки; 3, 4—штуцеры; 5 — раз­делительная диафрагма; 6, 7—крышки; 8—болты; 9 — ниппель; 10 — стержень, 11 — плунжер; 12 — раз­делительная трубка; 13 — катушка индуктивного дат­чика; 14, 15 — соединительные трубки.

Рисунок 2.7 – Мембранный дифференциальный манометр ДМ – 6

1 — трубка для подвода измеряемого давления; 2 — мембранная коробка; 3 — штифт;4 — рычаг; 5 — стрелка; 6 — тяга; 7 – рычаг; 8— плоская пружина; 9 — кронштейн с регулировочными винтами; 10 — винт- корректора нуля; 11 — рычаг корректора нуля; 12 — спиральная пружина; 13 — винтовая пружина.

Рисунок 2.8 – Манометр с мембранной коробкой

Деформация мембранной коробки не про­порциональна давлению, поэтому для получения равномерной шкалы прибор снабжается специальным узлом, состоящим из плоской пружины 8 и кронштейна 9 с регулировочными винтами. Благодаря этим винтам жесткость пружины с увеличением давле­ния изменяется. Установка стрелки на нуль производится вин­том 10 (корректор нуля).

При вращении винта левый конец рычага 11 поднимается или опускается. Спиральная пружина 12 служит для выборки зазоров в кинематических парах. Пружина 13 обеспечивает постоянное прижатие рычага 11 к конусу винта 10. Кронштейн 9 у тягомеров помещен ниже пружины 8, у напоромеров выше, у тягонапоромеров два кронштейна помещены по обе стороны пружины.

Пределы измерения у тягомеров и напоромеров от 15 до 1500 мм вод. ст., у тягонапоромеров от 15 до 500 мм вод. ст. Класс точности этих приборов 2,0.

Жидкостные манометры.

Действие жидкостных U-образных манометров (рисунок 2.9, а) основано на уравновешивании измеряемого давления, столбом жидкости (ртути, воды, спирта т.п.).

Для выражения давления в миллиметрах водяного столба необходимо умножить показания прибора (в миллиметрах) на отно­шение плотности жидкости в трубке к плотности воды.

В трубчатом U-образном манометре при измерении приходится делать два отсчета (по левой и по пра­вой трубке).

Погрешность измерения достигает 1 мм столба жидкости. Поэтому для измерения давлений, меньших 10—15 мм вод. ст., эти манометры не применяют.

При необходимости измерения малых давлений и разрежений применяют другую модификацию U-образного манометра — микроманометр с наклонной трубкой (рисунок 2.9, б).

а – U- образный манометр; б – микроманометр с наклонной трубкой.

Рисунок 2.9 – Схема жидкостных манометров

Наклон трубки увеличивает масштаб шкалы тем больше, чем меньше угол на­клона α. Измеряемое давление Р (в миллиметрах водяного столба) будет равно:

(2.1)

где b- отсчет по наклонной шкале, мм;

q — плотность жидкости в манометре, кг/м ³ ;

q’- плотность воды, кг/м ³ .

Шкала микроманометра градуируется в мм вод. ст.

Нашей промышленностью выпускаются жидкостные мано­метры со стеклянными трубками, оснащенными металлической арматурой (вентили для подключения давления, для продувки и др.) U-образные манометры с двумя трубками выпускаются на пределы измерения разности давлений до 1000 мм рт. ст. и на абсолютное давление до 1 Мн/м ² . Чтобы жидкостные манометры можно было использовать как сигнализаторы и регуля­торы, в них применяют электропроводящие жидкости (например, ртуть), а внутрь трубок впаивают контакты или проволочные сопротивлении. Жидкость либо замыкает контакты, либо шун­тирует сопротивления.

Кольцевые манометры

Манометры представляет собой полое кольцо (рисунок 2.10), разделенное перегородкой 4 и заполненное наполовину рабочей жидкостью (вода, масло, ртуть).

Кольцо может повора­чиваться на опорной призме-подушке 3. Внизу кольца крепятся сменные грузы 7, позволяющие изменять пределы измерения.

Давление к полостям кольца подводится посредством резино­вых или тонких металлических трубок, свернутых в спирали.

При повороте кольца одна спираль свертывается, а другая раз­вертывается. При равенстве давлений, т. е. при P1 = Р2 (рисунок 2.10, а), кольцо находится в среднем положении. Если Р1>Р2 (рисунок 2.10, б), то под действием разности давлений замыкающая жидкость переместится. Разность давлений ΔР = Р1- P2 будет уравновешиваться столбом жидкости.

Вследствие подъема жидкости в одной из полостей будет соз­даваться вращающий момент, благодаря которому система повернется на некоторый угон φ:

(4.2)

где R — средний радиус кольца; F— площадь сечения кольца.

Уравновешивающий или противодействующий момент соз­дается силой тяжести G грузов:

(4.3)

где I — расстояние от цен­тра тяжести грузов до оси вращения подвижно й

систе­мы; весом стрелки и перегородки мож­но пренебречь.

В момент равновесия:

(2.5)

или

(2.6)

1 — кольцо; 2 — перекладина; 3 — подушка, 4 — перегородка; 5, 6 — подводящие трубки; 7 — груз; 8 — стрелка.

Рисунок 2.10 – Схема манометра «кольцевые весы»

Тогда зависимость угла поворота от перепада давления выразится форму­лой:

(2.6)

Из формулы (2.6) видно, что угол поворота кольцевых весов не зави­сит от плотности жидко­сти, но последняя, а также размеры кольца ограничи­вают верхний предел изме­рения. Из этой формулы видно также, что шкала прибора неравномерная. Для равномерности шка­лы, особенно при измере­нии расхода жидкостей и газов, когда расход про­порционален квадратному корню из перепада давле­ний, применяют специальные механизмы, в частности лекальные.