Тепломеханика

30

Принцип действия пружинных манометров основан на использовании упругой деформации специальных полых пружин, возникающих под влиянием измеряемого давления. По роду применяемых пружин манометры делятся на трубчатые (с одновитковой и многовитковой трубчатыми пружинами) и мембранные (с гармониковой мембраной – сильфоном).

Показывающий манометр с одновитковой трубчатой пружиной приведен на рис. 15.

Рис. 15. Показывающий манометр с одновитковой трубчатой пружиной: 1 – трубчатая пружина; 2 – стрелка; 3 – зубчатый сектор; 4 – пробка; 5 – поводок; 6 – корпус; 7 – штуцер; 8 – держатель; 9 – шкала; 10 – спиральная пружина; 11 – шестеренка

Трубчатая пружина 1 эллиптического сечения одним концом жестко соединена с держателем 8, укрепленным в корпусе 6 манометра. Держатель имеет штуцер 7 с резьбой, служащей для сообщения прибора с измеряемой средой. Свободный конец пружины закрыт запаянной пробкой 4 с шарнирной осью. Посредством поводка 5 он связан с передаточным механизмом, состоящим из зубчатого сектора 3, сцепленного с шестеренкой 11, сидящей неподвижно на оси вместе с указывающей стрелкой 2.

31

Спиральная пружина 10 прижимает зубцы шестеренки к зубцам сектора и устраняет «мертвый ход».

Под действием измеряемого давления трубчатая пружина частично раскручивается и тянет за собой поводок, приводящий в движение зубчато-секторный механизм и стрелку манометра, показывающего по шкале 9 величину этого давления.

Манометры различаются на технические, контрольные и образцовые. Контрольные манометры типа МКО являются переносными приборами, служащими для периодических точных измерений давления, а также для поверки технических манометров на рабочем месте. Образцовые пружинные манометры типа МО применяются для поверки технических и контрольных манометров.

Электроконтактные манометры. В системах автоматиче-

ского регулирования технологических процессов, в схемах сигнализации, устройствах тепловой защиты и т.д. применение нашли электроконтактные манометры. На рис. 16 показаны принципиальная схема и внешний вид электроконтактного манометра типа ЭКМ.

Рис. 16. Электроконтактный манометр типа ЭКМ: а – схема прибора; б – внешний вид манометра; 1, 3, 5 – электрические контакты; 2 – головка

свинтом; 4 – стрелка; Лк, Л3 – лампы красного и зеленого цвета

Вэлектроконтактном манометре типа ЭКМ в качестве упругого чувствительного элемента используется одновитковая трубчатая пружина. По своему устройству прибор типа ЭКМ отличается от рассмотренного ранее пружинного манометра (рис. 15)

32

лишь наличием специальных электрических контактов 1, 3 и 5. Установка электрических контактов 1 и 3 может быть произведена на любые отметки рабочей шкалы манометра вращением винта в головке 2, расположенной на наружной стороне стекла.

Если измеряемое давление среды в объекте уменьшится и достигнет того минимального значения шкалы, на которое установлен контакт 1, стрелка 4 с помощью контакта 5 замкнет цепь и включит лампу Л3 определенного цвета, например зеленого.

Если же давление среды увеличится до верхнего заданного значения, то стрелка с помощью контакта 5 замкнет контакт 3, а следовательно, и цепь красной лампы Лк.

Выпускаемые приборы типа ЭКМ имеют класс точности 2,5.

Манометры электрические дистанционные. В пружин-

ных манометрах электрических дистанционных типа МЭД происходит преобразование в электрический сигнал давления измеряемой среды, приводящего к механической деформации измерительной части прибора.

На рис. 17 приведено устройство электрического пружинного манометра типа МЭД. Действие этого прибора основано на использовании деформации одновитковой трубчатой пружины 1, свободный конец которой связан рычагом со стальным сердечником (плунжером) 2 дифференциально-трансформаторного преобразователя 3.

Преобразователь состоит из двух секций первичной обмотки, намотанных последовательно (согласно) и двух секций вторичной (выходной) обмотки, включенных встречно, и подвижного сердечника. Создаваемый первичной обмоткой преобразователя магнитный поток индуцирует в секциях выходной обмотки ЭДС е1 и е2, значения которых зависят от тока питания первичной обмотки и взаимных индуктивностей М1 и М2 между секциями 1 и 2 вторичной и первичной обмоток. Взаимные индуктивности М1 и М2 равны между собой при среднем положении сердечника внутри катушки преобразователя. При перемещении сердечника вверх из среднего положения значение взаимной индуктивности М1 увеличивается, а М2 уменьшается. При этом изменяется величина и фаза выходного сигнала Е дифференциальнотрансформаторного преобразователя.

33

Выпускаемые приборы МЭД имеют классы точности 1

и 1,6.

Рис. 17. Манометр электрический пружинный дистанционный типа МДЦ: 1 – трубчатая пружина; 2 – сердечник (плунжер); 3 – дифференциальнотрансформаторный преобразователь; R2 – сопротивления; р – импульс давления; Е

– выходной сигнал

Дифференциальные манометры. Для определения разно-

сти (перепада) давлений между двумя точками измерения в жидкой, газовой или паровой среде используют дифференциальные манометры. Особенно большое распространение они получили для измерения перепада давления в дроссельных расходомерах.

По принципу действия дифференциальные манометры почти не отличаются от манометров, тягонапоромеров, вакуумметров и т.п., измеряющих давление среды по отношению к барометрическому давлению.

Так, широкое применение нашел жидкостный стеклянный двухтрубный дифференциальный манометр, так как он является простым, надежным и удобным измерительным устройством.

Технические дифференциальные манометры по конструкции и принципу действия разделяются на поплавковые, мембранные, сильфонные, колокольные и кольцевые.

На рис. 18 приведена схема поплавкового дифференциального манометра. В широкий (плюсовой) сосуд 1 и сообщающийся с ним трубкой 3 узкий (минусовой) сосуд 2 залита рабочая жидкость (ртуть или вазелиновое масло). На поверхности жидкости в

34

широком сосуде плавает поплавок 4, связанный при помощи рычага 5 и оси 6 с указывающей стрелкой 7. Рычаг, соединенный шарнирно с поплавком, закреплен неподвижно на оси.

Рис. 18. Схема поплавкового дифференциального манометра: 1, 2 – широкий и узкий сосуды с рабочей жидкостью; 3 – соединительная трубка; 4 – поплавок; 5 – рычаг; 6 – ось; 7 – стрелка; h – предельный перепад давления; h1, h2 – уровни жидкости относительно нуля

При измерении предельного перепада h уровень рабочей жидкости в широком сосуде понижается максимально на величину h2, а уровень жидкости в узком сосуде повышается на величину h1. Классы точности выпускаемых приборов – 1 и 1,6.

Колокольный дифференциальный манометр типа ДКО показан на (рис. 19.

Колокольный дифференциальный манометр типа ДКО является бесшкальным прибором, снабженным дифференциальнотрансформаторным датчиком для дистанционной передачи показаний на вторичный прибор. Он применяется для измерения перепада давления (расхода) газа или воздуха. Чувствительным элементом его является колокол 5, подвешенный на рабочей пружине 3 и опущенный в сосуд 4 с трансформаторным маслом. Посредством соединительных трубок 1 пространство над колоко-

37

Камеры образованы стальными крышками 13 и 18 и диафрагмой 11, скрепленными болтами 14. Внутренние полости мембранных коробок заполнены через ниппель 15 дистиллированной водой, после чего открытый его конец заваривают. В средней части мембранной коробки 17 укреплен стержень 8, несущий стальной плунжер 7, находящийся внутри разделительной трубки 5 из немагнитной стали. На эту трубку надета индукционная катушка 6 датчика, закрытая колпаком 4, на котором расположен штепсельный разъем для подключения соединительных приборов от вторичного прибора.

Под действием разности давлений между нижней и верхней камерами дифференциального манометра, передаваемой соединительными трубками 9 и 19 с запорными вентилями 1 и 3, мембранная коробка 16 сжимается, вытесняя находящуюся в ней воду в коробку 17, которая, расширяясь, поднимает плунжер 7. Движение плунжера происходит до тех пор, пока перепад давления не уравновесится упругой деформацией мембранных коробок. Для уравнивания давлений в камерах прибора при проверке нуля служит вентиль 2.

6.3. Приборы для измерения расход вещества 6.3.1. Общие сведения

Расход вещества и методы измерения расхода. Масса ве-

щества, перемещаемая в единицу времени по трубопроводу или каналу, называется расходом вещества. Расход вещества выражают в единицах измерения объема или массы. Наиболее распространенные единицы измерения объемного расхода – кубический метр в секунду (м3/с), кубический метр в час (м3/ч), а массового – килограмм в секунду (кг/с), килограмм в час (кг/ч) и тонна в час (т/ч). Для перевода объемных единиц измерения расхода в массовые и обратно используют формулу

G = V ,

где G – массовый расход вещества, кг/с; V – объемный расход вещества, м3/с; – плотность вещества, кг/м3.

Кприборам, измеряющим объем газа, относятся счетчики.

Сих помощью определяется суммарный объем газа, прошедшего за известный промежуток времени, для чего отсчитываются пока-

38

зания прибора в начале и конце периода измерения и вычисляется разность этих показаний.

Приборы, измеряющие расход, называются расходомерами. Расходомеры показывают или записывают мгновенное значение расхода, отнесенного к единице времени. В ряде случаев расходомер снабжается суммирующим счетным механизмом (интегратором).

Для определения массы и расхода жидкости, газа или пара обычно применяют следующие методы измерений: дроссельный, скоростной и объемный. Дроссельным методом определяется расход, а скоростным и объемным – объем жидкости, газа и пара.

6.3.2. Дроссельные расходомеры Дроссельные расходомеры. Дроссельный метод измерения

основан на изменении статического давления среды, проходящей через искусственно суженное сечение трубопровода.

Дроссельный расходомер состоит из сужающего устройства, устанавливаемого в трубопроводе и служащего для местного сжатия струи (первичный прибор), дифференциального манометра, предназначенного для измерения разности статических давлений протекающей среды до и после сужающего устройства (вторичный прибор), и соединительных линий (двух трубок), связывающих между собой оба прибора.

Сужающее устройство (диафрагма) имеет круглое отверстие, расположенное концентрично относительно стенок трубы, диаметр d которого меньше внутреннего диаметра D трубопровода.

При прохождении потока через сужающее устройство происходит изменение потенциальной энергии вещества, часть которой вследствие сжатия струи и соответствующего увеличения скорости потока преобразуется в кинетическую энергию. Изменение потенциальной энергии приводит к появлению разности статических давлений (перепада давления), которая определяется при помощи дифференциального манометра. По измеренному перепаду давления может быть определена кинетическая энергия потока при дросселировании, а по ней – средняя скорость и расход вещества.

На рис. 21 показано, как устанавливается диафрагма в трубопроводе и как меняется при этом характер потока.

39

По способу отбора статического давления к дифференциальному манометру стандартные диафрагмы делятся на камерные и бескамерные (рис. 22). В камерной диафрагме импульсы давления к дифференциальному манометру передаются через две кольцевые уравнительные камеры, позволяющие усреднить давление по окружности трубопровода и обеспечивающие более точное измерение перепада давления в камере.

Рис. 21. Характер потока в трубопроводе при установке сужающего устройства: D, d – диаметр трубопровода и сужающего устройства; F1, F0, F2 – площади сечений соответственно трубопровода, сужающего устройства, максимально сжатого участка; v1, v2 – скорости потока в трубопроводе и максимально сжатом участке

Установка диафрагм связана с выполнением ряда требований. Необходима тщательная центровка отверстия сужающего устройства относительно оси трубы. Не допускается наличие на внутренней поверхности трубопровода перед сужающим устройством больших неровностей, например уступов, сварных швов, выступающих внутрь уплотнительных прокладок и т.д. До и после сужающего устройства необходимо иметь прямые «успокоительные» участки трубопровода постоянного диаметра, так как различные местные сопротивления (колена, угольники, вентили, задвижки и т.п.) приводят к искажению профиля скоростей по сечению потока и увеличению погрешности измерения.

Наименьшие относительные (выраженные в кратных по отношению к диаметру трубопровода числах) длины прямых участ-