Загальна теорія вагопоршневих та деформаційних манометрів

3.1. Вагопоршневі манометри.

В них тиск зрівноважується тиском, який утворюється в циліндрі, що

заповнений робочою рідиною, мірними вагами (гирями) та вагою не

ущільненого поршня (рис.1,б), тобто, поршня 1, який входить в циліндр 2 з рівномірним по колу і невеликим по величині (<0,01мм) зазором. Будучи оточеним робочою рідиною (мастилом), що протікає через цей зазор, і зовсім не доторкуючись до внутрішньої поверхні циліндру, поршень знаходиться в рідині у зваженому стані.

а) б)

Рис.1. Схема не ущільненого поршня (а) та манометра типу МП-2,5 (б).

 

Рівняння рівноваги сил найпростішого поршневого манометра (рис.1,а)

має вигляд: (1)

де G - сила, що прикладена до поршня; Р - вимірюваний тиск; F - площа поперечного перерізу поршня; Т - сила рідинного тертя до бокової поверхні поршня.

Після перетворення (почленного ділення на Р) одержимо

(2)

де - ефективна площа поршня.

Теоретичні й експериментальні дослідження показали, що сила рідин­ного

тертя Т пропорційна тискові Р, тобто Т / Р = соnst. Тому F_еф не зале­жить від тиску, з чого випливає, що вимірюваний тиск прямо пропорційний силі, яка зрівноважує його.

Найбільш часто вимірюваний тиск зрівноважують вагою зовнішнього

навантаження (набір дисків-важок). Рівняння вимірювання цих манометрів має вигляд

(3)

де m - маса поршня та навантаження на нього.

Таким чином утворюють тиск рідини в циліндрі до тисяч атмосфер. При цьому зберігається гідростатичний принцип дії приладу. Рівномірність заповненого рідиною кільцевого зазору, що оточує поршень, досягається повільним (30об/хв.) повертанням поршня навколо своєї осі. Так як рідина має певну в’язкість, то при обертанні утворюється зусилля, яке відштовхує

поршень від стінок циліндру (ефект віджимання).

Завдяки нестисливості використовуваної робочої рідини поршневі вимірювачі тиску мають дуже високий клас точності (0,02; 0,05), тому їх широко використовують для перевірення манометрів і вакуумметрів (зокрема, й зразкових), а також дифманометрів (рис. 2,б).

Відповідно із стандартом випускаються манометри вагопоршневі 1-го розряду з допустимою основною приведеною похибкою 0,02% від вимірюваного тиску, якщо він лежить в межах від 10 до 100% верхньої межі вимірювання. Відповідно для другого розряду ця ж похибка дорівнює 0,05%.

Типи вагопоршневих манометрів: наприклад, МП-2,5 (рис.1,б) з верхньою межею вимірювання 0,25 МПа (2,5 кгс/см²); МП-60 з діапазоном вимірювання від 0,1 до 6 МПа (від 1 до 60 кгс/см²). Їх класи точності відповідно 0,02 та 0,05.

Такі манометри використовуються в якості лабораторних приладів (вони відтворюють міру тиску) при перевіренні робочих манометрів, наприклад, деформаційних або електричних.

 

Деформаційні манометри

Деформаційні манометри ( далі ДМ), вакуумметри, мановауумметри, тягоміри, напороміри, диференціальні манометри та барометри складають велику групу приладів для технологічних вимірювань. Принцип дії деформаційних манометрівгрунтується на використанні деформації або моменту згинання різних пругких елементів, які сприймають вимірюваний тиск середовища, та перетворюють його в переміщення або в зусилля. В ДМ вимірюваний тиск урівноважується величиною механічної напруженності в матеріалі ПВП (чутливого елемента): Р = К ∙ х, (4)

де К – коефіцієнт жорсткості пружного чутливого елемента, Н/м;

х – деформація ПВП (чутливого елемента), м.

ДМ відрізняються простотою та надійністю конструкції, невеликими габа-

ритами, досить високою точністю, широким діапазоном вимірювання. Завдяки цим якостям деформаційні манометри широко застосовуються для вимірювання надлишкового тиску, розрідження та перепаду тиску, в різних галузях техніки

в діапазоні вимірювання від – 100 КПа до +1000 МПа.

По виду первинних вимірювальних перетворювачів (ПВП) ДМ ділять на наступні групи: прилади з одновитковою (рис.2,а) та багатовиткововими (гелікоїдальними, рис.2,б чи у вигляді спіралі) трубчастими пружинами; мембрані прилади (рис.3,в), в яких в якості ПВП використовується мембрана; анероїдні (внутрішній тиск в коробці практично відсутній) та манометричні (вимірюваний тиск подається в середину коробки) коробки (рис.2,г та 2,д); блоки анероїдних та манометричних коробок (рис. 3,2 та 2,ж); пружинно-мембранні ПВП з гнучкою мембраною (рис.2,з); сильфони (рис. 2,и); пружинно-сильфонні ПВП (рис.2,к).

ПВП ДМ (чутливий елемент) пругко деформується під впливом (рис.2) різниці між внутрішнім Р та зовнішнім Р тисками. Величина цієї деформації є мірою різниці цих тисків. При відсутності вимірюваного тиску, яким може бути або зовнішній або внутрішній тиск, чутливий елемент повертається у вихідне положення під дією пругкої деформації. Вихідні сигнали деформаційних ПВП тиску (переміщення чи зусилля) пере­творюються в конкретній конструкції вимірювального приладу (окремі приклади конструктивної реалізації цієї процедури показано на рис.: 2; 3,в; 4,а та 4,б) на показання значень виміряної величини тиску Р.

Рис. 2. Деформаційні (пружинні) манометри.

 

Деформація чутливого пругкого елемента в таких приладах обмежена або долями мм, або декількома мм. Тому в корпусі таких приладів, які відповідають тим чи іншим специфічним вимогам, крім основної частини (ПВП, пругкого

в)

Рис. 3. Схема зміни кута закручування одновиткової трубчастої пружини (а) та її перерізу (б) під дією тиску Р, та (в) - загальний вигляд трубчастого манометра

 

чутливого елементу), знаходиться також передавальний механізм, який застосовують для збільшення деформації пругкого чутливого елемента в необхідну кількість разів для переміщення показника по шкалі приладу

(рис.3,в). На рис.3,в приведенакінематична схема та загальний вигляд з окремими складовими частинами манометра з трубчастою одновитковою пружиною, що отримав найбільше розповсюдження.

В цьому манометрі в якості ПВП використовується трубчаста пружина 2. Один кінець трубки 2 закріплюють нерухомо на цоколі 1, який в свою чергу закріплений гвинтами в круглому корпусі 3 манометра. Через штуцер цоколя в трубку 2 подається вимірюваний тиск. Другий вільний кінець трубки є герметично запаяним і зв’язаний повідком 6 з передавальним механізмом 7, який в свою чергу складається із зубчастого сектора 5 та шестерні, на вісь якої закріплена стрілка 4.

Трубчаста пружина (одновиткова манометрична пружина, трубка Бурдона) являє собою пружну тонкостінну металеву по­рожнисту трубку еліптичного або плоскоовального перерізу, вісь якої ви­гнуто по дузі кола радіусом R (рис. 3,а) на кут в межах (180–270)°. Із подачею тиску у внутрішню порожнину трубчастої пружини її переріз прагне набути форми кола (рис. 3,б), тобто, мала вісь (розміром 2а) овалу чи еліпса збільшується, а велика (розміром 2b), навпа­ки, зменшується. Так як довжина трубчастої пружини залишається незмінною, а один кінець її жорстко закріплений в цоколі, через який подається вимірюваний тиск Р, то в пружині зі зростанням тиску виникає внутрішня напруженість, яка приводить до її розкручування і переміщенню вільного кінця.

Докажемо це. Довжини внутрішньої та зовнішньої дуг трубчастої пру­жини (рис. 3,а) можна записати як:

(5)

де r і R – відповідно радіуси внутрішньої та зовнішньої дуг;

- початковий кут закру­чення трубчастої пружини.

У разі деформування (зміни кута закручення) трубчастої пружини під дією підведеного тиску Р до відповідно зміняться радіуси внутрішньої та зовнішньої дуг (відповідно r' і R' ), але довжина дуг (фактично – довжина трубки) залишиться майже незмінною. Тому:

(6)

Віднявши від першого виразу другий, отримаємо:

(7)

або використовуючи рис. 3, б, з якого видно, що R - r = 2а а R'- r'= 2а', можемо записати: а = а' , (8)

де 2а' – розміри малої осі еліпса поперечного перерізу трубчастої

пружини після її деформації відповідно за раху­нок подачі тиску Р у її внутрішню порожнину.

А позаяк зі збільшенням тиску Р а' > а, то < , тобто трубчаста пружина

розкручу­ється. Величина зміни кута розкручування пружини дорівнює:

= , (9)

де - зміна довжини малої осі еліпса під дією тиску.

Розкручування трубки спричинює лінійне переміщення l її вільного кінця:

(10)

де Т - коефіцієнт, залежний від початкового кута трубчастої пружини;

∆ / - відносний кут повороту вільного кінця пружини під дією тиску.

Трубчасті пружини ДМ виготовляють із латуні, із бронзи (сплав міді з цинком, свинцем або оловом), берилієвої бронзи, сталі різних складів, або в останній час із сплавів нікелю. Механічні властивості матеріалу пружини ДМ залежать від її хімічного складу, характеру механічної та термічної обробки при виготовленні і температури, при якій вона повинна працювати, а також залежать від домішок і обробки.

Манометр має рівномірну шкалу в межах пругкої деформації пружини.

Промисловість випускає трубчасті манометри з одновитковою пружиною:

• відтворюючі показання типів ОБМ, МТП;

• відтворюючі показання та самописні типу МТС, зразкові – МО;

• з диференційно-трансформаторним перетворювачем типу МЄД;

• з електросиловим перетворювачем типу МП-Є;

• з пнемо-силовим перетворювачем типу МП-П.

• електроконтактні манометри ЕКМ.

За призначенням трубчасті манометри поділяються на три групи:

• зразкові (класи точності - 0,1;0,2; 0,35) - для повірки робочих манометрів в лабораторних умовах;

• контрольні (класи точності - 0,4; 0,5;1,0) - для повірки робочих манометрів за місцем їх встановлення;

• робочі (класи точності - 1,5;2,5;4,0) - для технічних вимірювань.