Лабораторная работа №1
«Датчики, сигнализаторы и регуляторы давления»
Задание:
Используя учебную и справочную литературу, имеющиеся в лаборатории приборы и техническую документацию, изучить средства автоматики, предназначенные для контроля и регулирования давления, и составить отчет, ответив на нижеперечисленные вопросы.
1.Единицы измерения давления, соотношения между ними.
| Единицы давления | Па | дин/см2 | кг/см2 | кг/мм2 | атм | мм рт. ст. | мм вод. ст. | бар | мбар |
| 1 Па (1Н/м2) | 1,02 · 10-5 | 1,02 · 10-7 | 9,87 · 10-6 | 7,50 · 10-3 | 0,102 | 10-5 | 10-2 | ||
| 1 дин/см2 | 0,1 | 1,02 · 10-6 | 1,02 · 10-8 | 9,87 · 10-7 | 7,50 · 10-4 | 1,02 · 10-2 | 10-6 | 10-3 | |
| 1 кг/см2 (ат) | 9,81 · 104 | 9,81 · 105 | 0,01 | 0,968 | 735,6 | 104 | 0,981 | ||
| 1 кг/мм2 | 9,81 · 106 | 9,81 · 107 | 96,8 | 7,356 · 104 | 106 | 98,1 | 9,81 · 104 | ||
| 1 атм | 1,0332 | 1,0332 · 10-2 | 10332,2 | 1,01325 | 1013,25 | ||||
| 1 мм рт. ст. | 133,3 | 133 · 103 | 1,36 · 10-3 | 1,36 · 10-5 | 1,316 · 10-3 | 13,6 | 1,33 · 10-3 | 1,33 | |
| 1 мм вод. ст. | 9,81 | 98,1 | 10-4 | 10-6 | 9,68 · 10-5 | 7,356 · 10-2 | 9,81 · 10-5 | 9,81 · 10-2 | |
| 1 бар | 105 | 106 | 1,02 | 1,02 · 10-2 | 0,987 | 1,02 · 104 | 103 | ||
| 1 мбар | 103 | 1,02 · 10-5 | 1,02 · 10-7 | 1,87 · 10-4 | 0,750 | 10,2 | 10-3 |
2.Жидкостные приборы измерения давления с видимым уровнем
а) U-образные и чашечные приборы
U-образный манометр наиболее простой по конструкции состоит из U-образной стеклянной трубки заполненной жидкостью, и прямолинейной, миллиметровой шкалы. Шкала чаще всего бывает двусторонней с нулевой отметкой посередине. Нижняя часть трубки заполнена до нулевой отметки. К одному концу трубки по гибкой резиновой или пластмассовой трубке подводится давление измеряемой среды. Под действием этого давления жидкость в одном колене трубки понижается, а в другом - повышается. Разность уровней, определяемая по шкале, показывает избыточное давление измеряемой среды.
При частых изменениях давления измеряемой среды уровень Жидкости в трубках колеблется, в связи с чем трудно производить точный отсчет по шкале в обеих трубках одновременно. В этом случае более удобен однотрубный (чашечный) манометр. Он состоит из сосуда (чаши), сечение которого во много раз больше сечения трубки. При измерении давления уровень жидкости в трубке малого сечения поднимается на большую высоту, в то время как в чаше большого сечения он опускается незначительно. Поэтому показания прибора можно отсчитывать только по изменению уровня жидкости в трубке малого сечения, пренебрегая изменением уровня в чаше.
Если к U-образному или чашечному манометру давление подводится только к одному концу трубки, то измеряется разность подведенного и атмосферного давлений. В этом случае другой конец трубки открыт и сообщается с атмосферой. Если же к обоим концам трубки или чаше и трубке подвести давление контролируемых сред, то манометр будет измерять разность этих давлений. Такие манометры называются дифференциальными.
Чашечные манометры (однотрубные) являются разновидностью U-образных манометров, у которых одна из трубок заменена сосудом большего диаметра (чашкой).
| Измеряется давление Ризм, действующее на жидкость в широком сосуде, а открытый конец трубки совмещен с атмосферой (см. рис.). Измеряемое давление находится прямым отсчетом от отметки «0» по шкале прибора в мм вод. ст. или Па в трубке малого сечения. |
б) Микроманометры
Микроманометры. Для измерения давления и разности давлений до 3 кПа (300 кгс/м2) используются микроманометры, которые являются разновидностью однотрубных манометров и снабжены специальными приспособлениями либо для уменьшения цены деления шкалы, либо для повышения точности считывания высоты уровня за счет использования оптических или других устройств. Наиболее распространенные лабораторные микроманометры — это микроманометры типа ММН с наклонной измерительной трубкой (рис. 2). Показания микроманометра определяются по длине столбика рабочей жидкости п в измерительной трубке 1, имеющей угол наклона а.
Рис. 2. Схема микроманометра ММН:
1 — измерительная трубка; 2 — сосуд; 3 — кронштейн; 4 — сектор
На рис. 2 кронштейн 3 с измерительной трубкой 1 крепится на секторе 4 в одном из пяти фиксированных положений, которым соответствуют к = 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8 и пять диапазонов измерения прибора от 0,6 кПа (60 кгс/м2) до 2,4 кПа (240 кгс/м2). Приведенная погрешность измерений не превышает 0,5 %. Минимальная цена деления при к = 0,2 составляет 2 Па (0,2 кгс/м2), дальнейшее снижение цены деления, связанное с уменьшением угла наклона измерительной трубки, ограничено снижением точности считывания положения уровня рабочей жидкости из-за растягивания мениска.
Более точными приборами являются микроманометры типа ММ, называемые компенсационными. Погрешность считывания высоты уровня в этих приборах не превышает ±0,05 мм в результате использования оптической системы для установления начального уровня и микрометрического винта для измерения высоты столба рабочей жидкости, уравновешивающего измеряемое давление или разность давлений.
3. Приборы измерения давления с упругими чувствительными элементами
а) Плоские мембраны
б) Гофрированные мембраны и мембранные коробки
в) Сильфоны
г) Трубчатые манометры
д) Электроконтактные манометры
е) Реостатные манометры
Приборы для измерения давления, основанные на упругой деформации чувствительных элементов под действием измеряемой величины, широко применяют в диапазоне от 50 Па до 1000 МПа. Деформация или сила, пропорциональная давлению, преобразуется в показания прибо-
Рис. 2. Упругие чувствительные элементы приборов для изменения давления (а, б — мембраны, в — мембранная коробка, г — сильфон, д — трубчатая пружина) и их статические характеристики (е)
ра или в изменения выходного сигнала. Такие приборы изготовляют в виде тягомеров, напоромеров, манометров и _вакуумметров.
В качестве упругих чувствительных элементов приборов для измерения давления применяют мембраны (рис. 2, а, б), мембранные коробки (рис. 2, в), сильфоны (рис. 2, г), трубчатые пружины (рис. 2, д). Мембраны, мембранные Коробки и сильфоны используют также и в дифманометрах.
Чувствительный элемент прибора характеризуется зависимостью перемещения его рабочей точки ΔХ от действующего давления или разности давлений Р(рис. 2, е). Обычно эту зависимость в приборе стремятся получить линейной, для чего используют прочные сплавы цветных металлов с высоким модулем упругости. С ростом измеряемого давления упругие деформации перейдут в пластические и зависимость ΔХот Рстанет нелинейной. При эксплуатации приборов давления зона упругих деформаций может уменьшиться из-за повышения температуры окружающей среды, поэтому первичные приборы приходится размещать вдали от горячих объектов. Кроме того, с течением времени из-за циклических нагрузок под действием давления упругие свойства чувствительных элементов утрачиваются и накапливаются пластические деформации. Таким образом, оба эти фактора отрицательно влияют на надежность чувствительных элементов приборов давления, что необходимо учитывать при их эксплуатации.
Рассмотрим подробнее приборы для, измерения давления с различными упругими чувствительными элементами. Манометры с трубчатой пружиной в большинстве случаев являются приборами, в которых измеряемое давление последовательно преобразуется в перемещение незакрепленного конца пружины и связанного с ним показывающего, регистрирующего, сигнализирующего устройства (в первичных приборах) или преобразователем давления в унифицированный электрический сигнал (в схемах дистанционной передачи сигналов вторичному прибору).В настоящее время выпускают показывающие и самопишущие манометры с одновитковой (МТ, МП) трубчатой пружиной. Верхний предел измеряемого давления определяется стандартным рядом (0,6; 1; 1,6; 2,5; 4)-10n МПа, где п= —1; 0; 1; 2; 3. Пружинные вакуумметры имеют диапазон измерения от —0,1 до 0 МПа.
Принцип действия манометров с трубчатой пружиной показан на рис. 3, где изображен манометр МТ. Чувствительный элемент манометра выполнен в виде полой одновитковой трубчатой пружины 3, центральная ось которой представляет собой дугу окружности с углом 200—270°. Один конец пружины, в который через радиальный штуцер 5 поступает давление, закреплен, а второй (закрытый) может перемещаться. Сечение трубчатых пружин может быть в виде эллипсоида (пружина Бурдона) или плоскоовальное.
При подаче в трубку давления сечение деформируется (пунктирные линии см. на рис. 2, д) и пружина стремится распрямиться, перемещаясь в направлении величины ΔХ. Ее чувствительность тем больше, чем больше радиус кривизны Rи чем меньше толщина стенки сечения δ.
Трубчато-пружинные манометры МЭД выпускают с дифференциально-трансформаторными преобразователями, встроенными в корпус прибора. Другие манометры МПЭ выпускают с преобразователями магнитной или силовой компенсации. Верхние пределы измерений давления этих манометров от 4 до 60 МПа и от 4 до 100 МПа.
В пружинных манометрах применяют также пневматические преобразователи, позволяющие получать на выходе унифицированный сигнал по давлению воздуха.
| Рис. 3. Устройство манометра с одновитковой пружиной: 1 — стрелка, 2,3 — пружины, 4 - поводок, 5 — штуцер |
Такие манометры типа МП-П выпускают на те же пределы измерений, что и МПЭ. Для сигнализации предельных отклонений давления в цепях защиты и позиционного регулирования служат электроконтактные манометры (ЭКМ), в которых дополнительно введены стрелки с электроконтактами, устанавливаемыми напротив сигнализируемого значения давления. Показывающая стрелка также, имеет контакт. При ее совмещении с любой дополнительной стрелкой возникает электрический сигнал.
Разновидностью приборов для измерения давления с упругой пружиной в качестве чувствительного элемента являются колокольные дифманометры, предназначенные для дистанционного измерения разности давлений, избыточного и вакуумметрического давлений.
В другой группе приборов для измерения давления чувствительные элементы выполняют в виде сильфона.
Сильфон (см. рис. 2, г) представляет собой тонкостенную трубку с кольцевыми гофрами на боковой поверхности. Его упругость определяется материалом и толщиной стенки, числом гофр и их кривизной. Первичные приборы с сильфоном выпускаются показывающими (индекс «П») и самопишущими (индекс «С»). Поскольку сильфоны более чувствительны к изменению давления, чем трубчатые пружины, приборы с ними применяют для измерения сравнительно небольших разрежений и давлений.
Самыми разнообразными по конструкции чувствительных элементов являются приборы с мембранными элементами. Плоская мембрана (см. рис. 42, а) представляет собой гибкую пластину, закрепленную по окружности. При подаче давления в одну из камер, разделенных мембраной, центр ее окружности перемещается на величину, ΔХ. Статическая характеристика плоской мембраны имеет нелинейный вид, поэтому такие мембраны в приборах давления неиспользуют. Для линеаризации статической характеристики применяют гофрированные мембраны (см. рис. 2, б)и мембранные коробки (см. рис. 2, в). Чаще всего используют мембранные коробки, жесткость которых меньше чем жесткость отдельной мембраны. Это приводит к росту крутизны статической характеристики и увеличению зоны перемещений, пропорциональных приложенному давлению.
Мембранные чувствительные элементы имеют статическую характеристику зависимости (ΔХ от Р) более крутую, чем сильфоны, что позволяет широко использовать их для измерения малых напоров и разрежений.