Приборы с трубчатыми пружинами.

Наибольшее применение имеют приборы с одновитковой трубчатой пружиной. Такие пружины применяются в манометрах, вакуумметрах, мановакуумметрах и дифманометрах.

Принцип действия приборов с трубчатой пружиной основан на свойстве трубчатой криволинейной пружины с некруглым поперечным сечением изменять свою кривизну при изменении избыточного давления или разрежения внутри трубки. Если в трубку подать избыточное давление, то кривизна трубки уменьшится и она распрямится; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает и она скручивается. Перемещение свободного конца трубки посредством передаточного механизма преобразуется в поворот стрелки показывающего прибора или во входное перемещение электрического или пневматического вторичного преобразователя.

Мембранные приборы.

Приборы с чувствительным элементом в виде гофрированных мембран, мембранных коробок и мембранных блоков широко применяются для измерения небольших избыточных давлений и разрежении (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давления (дифманометры-расходомеры).

Зависимость прогиба от давления в общем случае нелинейна. Величина прогиба мембраны является сложной функцией действующего на нее давления, ее геометрических параметров (диаметра, толщины, числа, формы и размеров гофров), а также модуля упругости материала мембраны. Гофрировка мембраны увеличивает ее жесткость, т. е. уменьшает прогиб при одинаковом давлении, но одновременно она преобразует характеристику мембраны в линейную. С целью увеличения прогиба в приборах для малых давлений (разрежении) мембраны попарно соединяют (сваркой или спайкой) в мембранные коробки, а коробки — в мембранные блоки. Мембранные коробки могут быть анероидными и манометрические. Анероидные коробки, применяющиеся в барометрах и барографах, герметизированы и заполнены воздухом или каким-либо газом при очень малом давлении, обычно около 1,33 н/м2 (0,01 мм рт. ст.). Деформация анероидной коробки происходит под действием разности давления окружающей ее среды и давления в полости коробки. Так как давление в полости коробки очень мало, то можно считать, что ее деформация определяется атмосферным давлением. Величина деформации анероидной или манометрической коробки равна сумме деформаций составляющих ее мембран. Манометрические мембранные коробки применяются в тягомерах и напоромерах для измерения небольших давлений и разрежении — до 15 680 н/м2 (1600 мм вод. ст.).

Пружинно-мембранные приборы.

Отличаются от описанных выше тем, что в них мембрана, воспринимающая давление, выполнена из гибкого материала (вялая мембрана) и давление уравновешивается вследствие упругости цилиндрической винтовой пружины. Гибкие мембраны обычно изготовляются из резины с тканевой основой, из ткани с газонепроницаемой пропиткой или из гибких пластмасс. Вялые мембраны применяются в тягомерах, напоромерах, тяго-напоромерах и дифманометрах.

К недостаткам мембранных приборов относятся небольшой ход подвижного центра чувствительного элемента, значительные отклонения жесткости мембран от расчетной и трудность регулирования жесткости мембран. Эти недостатки мембранных чувствительных элементов устраняются в приборах, построенных по схеме силовой электрической или пневматической компенсации.

Сильфонные приборы.

Чувствительным элементом сильфонных приборов является цилиндрический тонкостенный сосуд с кольцевыми складками (гофрами), называемый сильфоном. При действии осевой нагрузки (внешнего или внутреннего давления) длина сильфона изменяется, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от направления приложенной силы. В пределах рабочего диапазона давлений деформация сильфона приблизительно пропорциональна действующему усилию, т. е. характеристика сильфона близка к линейной.

Существенные недостатки сильфонов — значительный гистерезис и некоторая нелинейность характеристики. Для увеличения жесткости, уменьшения влияния гистерезиса и нелинейности часто внутрь сильфона помещают винтовую цилиндрическую пружину. Жесткость пружины обычно в несколько раз превышает жесткость сильфона, благодаря чему резко уменьшается влияние гистерезиса сильфона и нелинейности его характеристики. Относительно большая величина рабочего хода сильфона позволяет применять их в регистрирующих приборах.

Выбор, установка и эксплуатация приборов для измерения давления.

Для правильного измерения давления необходимо соблюдать следующие требования.

До начала измерения давления необходимо знать примерную его величину, пределы колебаний, физико-механические свойства среды, требуемую точность измерения.

Чтобы избежать снижения точности измерения и обеспечить достаточно продолжительный срок службы пружинных приборов, допустимое рабочее давление должно быть возможно ближе к верхнему предельному значению шкалы прибора.

Место отбора давления на объектах измерения необходимо выбирать так, чтобы результаты измерения не искажались динамическим воздействием потока и завихрениями, которые образуются вблизи местных сопротивлений (колена, тройники, вентили, регулирующие органы).

В случае измерения давления газа или пара в горизонтальных и наклонных трубопроводах давление следует отбирать из области, лежащей выше оси трубопровода, а при измерении давления жидкостей – ниже оси трубопровода.

Импульсные линии, соединяющие места отбора давления с манометрами, должны прокладываться с уклоном в сторону места отбора, если измеряемая среда представляет собой газ или пар (этим исключаются жидкостные пробки внутри трубок), или в сторону манометра, если измеряемая среда – жидкость (исключаются газовые пробки). Длина импульсных линий не должна превышать 30 м, если измеряемое давление не более 9,8*102 н/м2 (100 мм вод. ст.), а при измерении более высоких давлений длина линий не должна быть больше 50 м.

Перед пружинным манометром обязательно устанавливается трехходовой кран, с помощью которого манометр плавно включается в работу; производится поверка нулевой точки шкалы, поверка показания манометра в рабочей точке (с помощью подключения контрольного прибора), а также продувка импульсных линий.

В химической промышленности манометры часто устанавливаются на теплообменниках, выпарных, экстракционных и дистилляционных аппаратах, автоклавах, сушилках и т.п. В таких случаях необходима защита воспринимающей части манометра (пружины, мембраны) от действия высокой температуры или пара. Для этого перед манометром устанавливают сифонную трубку в виде буквы U или кольцевой петли. При измерении давления нагретого газа сифонную трубку заполняют водой. Если жидкость, газ, пар или его конденсат химически активны по отношению к материалу воспринимающей части прибора, то перед манометром устанавливают разделительное устройство в виде мембраны или защитного сосуда, заполненного разделительной (инертной) жидкостью.

В зависимости от свойств измеряемой среды и условий эксплуатации в качестве измерительных жидкостей применяются: вода, технические масла, глицерин, водные растворы глицерина, этиленгликоль, четыреххлористый углерод, керосин и др.

Толчки и вибрации сокращают срок службы прибора, ускоряют изнашивание деталей узла передачи манометра. Поэтому при измерении давления в аппарате, подверженном сотрясениям, манометр следует устанавливать на отдельном щитке. Жидкостные приборы устанавливают строго по отвесу или уровню.

 

ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЯ ЖИДКОСТЕЙ

 

Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей средой – жидкостью или сыпучим телом. Целью измерения уровня жидкостей может быть определение количества жидкости в емкости или контроль за положением уровня в производственном аппарате при осуществлении технологического процесса.

Различают уровнемеры, предназначенные для измерения уровня рабочей среды и сигнализации предельных значений уровня рабочей среды.

По характеру работы уровнемеры могут быть непрерывного и прерывистого (релейного) действия. Релейные уровнемеры срабатывают при достижении определенного уровня; они используются для сигнализации и поэтому называются сигнализаторами уровня.

По диапазону измерения различают уровнемеры широкого и узкого диапазонов. Уровнемеры широкого диапазона (с пределами измерений 0,5-20 м) предназначены для проведения товароучетных операций, а уровнемеры узкого диапазона с пределами измерений (0ч100) мм или (0ч450) мм обычно используются в системах автоматического регулирования.

В настоящее время измерение уровня осуществляют различными по принципу действия уровнемерами, из которых широкое распространение получили поплавковые, буйковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые, радиоизотопные и визуальные средства измерений.

 

Поплавковые уровнемеры

 

Поплавковые уровнемеры относятся к наиболее распространенным автоматическим приборам для измерения уровня жидкости наряду с гидростатическими, электрическими и радиоизотопными.

В поплавковом уровнемере за уровнем жидкости следит поплавок, перемещение которого передается на показывающее устройство или преобразователь перемещения (усилия) в выходной сигнал.

Возможны два принципа построения поплавковых уровнемеров.

В первом случае противодействующая сила создается силой тяжести поплавка, и поплавок следует изменению уровня жидкости.

Во втором случае противодействующая сила создается пружиной и изменяется при перемещении поплавка. При этом поплавок имеет форму длинного цилиндра (буйка) переменного погружения.

Недостатками простого поплавкового уровнемера являются перевернутая шкала (с нулем у верхнего края бака), трудность отсчета в начале шкалы у высокого резервуара, погрешность из-за изменения силы, натягивающей трос (при подъеме уровня к силе тяжести противовеса прибавляется сила тяжести троса).

 

Гидростатические уровнемеры

 

В этих приборах измерение уровня жидкости постоянной плотности сводится к измерению давления, создаваемого столбом жидкости, т. е. р=Нρg.

Существуют гидростатические уровнемеры с непрерывным продуванием воздуха или газа (пьезометрические уровнемеры) и с непосредственным измерением столба жидкости. Пьезометрические уровнемеры применяются для измерения уровня самых разнообразных, в том числе агрессивных и вязких жидкостей в открытых резервуарах и в сосудах под давлением.

 

Электрические уровнемеры

 

В электрических уровнемерах положение уровня жидкости преобразуется в какой-либо электрический сигнал. Из электрических уровнемеров наибольшее распространение получили емкостные и омические. В емкостных уровнемерах используются диэлектрические свойства контролируемых сред; в омических – свойство контролируемой среды проводить электрический ток.

Емкостный уровнемер обычно состоит из емкостного цилиндрического преобразователя и вторичного прибора. При измерениях высоты уровня агрессивных, но не электропроводных жидкостей, обкладки преобразователя выполняют из химически стойких сплавов или же каждую из обкладок покрывают тонкой антикоррозионной пленкой (винипласт или фторопласт), диэлектрические свойства которой учитываются при расчете. Покрытие обкладок тонкими пленками, обладающими высокими изолирующими свойствами, применяется и при измерениях уровня электропроводной жидкости.

Измерение электрической емкости обычно производится с помощью резонансных и мостовых схем. При резонансном методе контролируемая емкость, включенная параллельно с контуром индуктивности, образует резонансный контур, настроенный на резонанс питающей частоты при определенной начальной емкости преобразователя, которая соответствует наличию или отсутствию контролируемого вещества на заданном уровне. Изменение емкости преобразователя приводит к изменению собственной частоты контура и срыву резонанса. Этот метод используется в большинстве емкостных сигнализаторов уровня.

При мостовом методе контролируемая емкость включается в одно из плеч моста. При измерении уровня изменяется емкость, что вызывает разбаланс моста. Сигнал разбаланса через усилитель подается на показывающий электрический прибор, градуированный в единицах контролируемого уровня. Мостовой метод используется в большинстве емкостных уровнемеров.

Омические уровнемеры используются главным образом в качестве сигнализаторов уровня. Принцип действия омических сигнализаторов основан на замыкании электрической цепи источника питания через контролируемую среду, представляющую собой участок электрической цепи, обладающий определенным омическим сопротивлением.

 

Радиоизотопные уровнемеры

 

Положение уровня жидкостей в закрытых емкостях можно контролировать при помощи проникающих γ-излучений. Измерение уровня основано на поглощении γ-лучей при их прохождении через слой вещества.