Приборы для измерения давления

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Приборы для измерения давления

Разработал : мастер п/о филиала №4 ФКПОУ №57 /Найкин Ю. И./

• Давление и его виды, единицы измерения. Давлением жидкости, газа или пара называют силу, действующую равномерно на единицу площади. При измерении различают барометрическое, избыточное и абсолютное давление.
• Барометрическое (атмосферное) давление р б ) создается массой воздушного столба земной атмосферы.
• Величина превышения давления среды над барометрическим называется избыточным давлением р . Показанием подавляющего большинства приборов, измеряющих давление, является именно избыточное давление.
• Абсолютное (полное) давление — это давление жидкости или газа в закрытом сосуде. Абсолютное давление среды р а может быть больше или меньше барометрического. В первом случае абсолютное давление равно сумме барометрического и избыточного давлений (р а = р б + р) , во втором случае абсолютное давление меньше барометрического на величину р р , называемую разрежением (т.е. р а = р б - р р ).

Жидкостные стеклянные манометры. К жидкостным стеклянным манометрам относятся двухтрубные (U-образные) и однотрубные (чашечные). Они используются для измерения давления газа или воздуха до 5 кПа (500 мм вод. ст.). В качестве рабочей жидкости в них используются вода, этиловый спирт, ртуть.

Жидкостный стеклянный U-образный манометр (рис. 1, а) состоит из стеклянных измерительных трубок 3 и 4 , соединенных между собой и укрепленных на вертикальном основании 1 . Между трубками помещена миллиметровая шкала 5 с нулевой отметкой посередине длины.

Измерительные трубки заполняются рабочей жидкостью до нулевой отметки шкалы. Трубка 3 сообщается резиновой трубкой 2 с измеряемой средой, находящейся под абсолютным давлением р а , а трубка 4 — с атмосферой, имеющей барометрическое давление р б .

При включении манометра в работу измеряемое давление уравновешивается высотой столба рабочей жидкости h , отсчитываемой по шкале прибора. Так как уровень жидкости в трубке 3 понизится до уровня b, а в трубке 4 он повысится, то общая высота столба будет равна сумме отсчетов, проводимых по шкале выше и ниже нулевой отметки.

В процессе эксплуатации U-образного манометра необходимо следить за уровнями рабочей жидкости, которые должны совпадать с нулевой отметкой при сообщении обеих трубок с атмосферой, а также за исправностью резиновой трубки и герметичностью ее соединения со стеклянной трубкой манометра.

В однотрубном жидкостном манометре (рис. 1, б) в отличие от U-образного двухтрубного манометра вместо одной из измерительных трубок имеется широкий сосуд (чашка) 6 . К нижней части сосуда присоединена стеклянная измерительная трубка 3, рядом с которой закреплена миллиметровая шкала 5 . Прибор смонтирован на вертикальном основании 1 . Сосуд манометра соединяется с местом измерения трубкой 2 . Свободный конец измерительной трубки сообщается с атмосферой. Сосуд и измерительная трубка заполняются рабочей жидкостью до нулевой отметки шкалы.

Под давлением измеряемой среды, составляющим р = р а –р б , уровень рабочей жидкости в стеклянной трубке поднимется на высоту h 1 , а в сосуде опустится на высоту h 2 . Общая высота столба жидкости, уравновешивающая измеряемое давление, будет равна

h = h 1 + h 2 .

Так как объемы жидкости, вытесненной из сосуда и вошедшей в измерительную трубку, равны, h 1 h 2 , поскольку сечение измерительной трубки f во много раз меньше сечения сосуда.

Таким образом, при измерении величиной h 2 можно пренебречь и принять h= h 1 .

Рис.1. Жидкостный манометр:

а — двухтрубный (U-образный);

б — однотрубный (чашечный);

1 — основание; 2 — резиновая трубка;

3, 4 — измерительные трубки; 5 — шкала;

6 — стеклянный сосуд (чашка);

р а , р б — соответственно абсолютное и барометрическое (атмосферное) давление;

h — высота столба рабочей жидкости;

h 1 , h 2 — уровни жидкости

Тягомеры и напоромеры. Для измерения небольших разрежений и избыточных давлений (продуктов сгорания, газа, воздуха) применяются тягомеры (для разрежения), напоромеры (для давления) и тягонапоромеры (для разрежения и давления). Эти приборы широко используются для определения давления, разрежения в топках, газоходах и воздуховодах котлоагрегата и имеют одностороннюю или двустороннюю (тягонапоромеры) шкалу, градуированную в Па, кгс/м 2 или мм вод. ст.

Так как между тягомерами, напоромерами и тягонапоромерами нет существенного различия, в дальнейшем они для простоты изложения называются тягонапоромерами.

Наибольшее распространение получили жидкостные стеклянные и мембранные тягонапоромеры.

Жидкостные тягонапоромеры по существу не отличаются от жидкостных одно- и двухтрубных манометров. Приборы заполняются чаше всего этиловым спиртом или дистиллированной водой.

При относительно точных измерениях небольших избыточных давлений или разрежений до 2 кПа (200 кгс/м 2 ) применяются жидкостные однотрубные (чашечные) тягонапоромеры с наклонной измерительной трубкой ТНЖ-Н и ТНЖ-Щ, приспособленные соответственно для настенного и щитового монтажа.

Жидкостный однотрубный тягонапоромер типа ТНЖ-Н показан со снятой передней крышкой (рис. 2, а) Он состоит из стеклянного сосуда 14 и присоединенной к нему стеклянной измерительной трубки 12 внутренним диаметром 2...2,5 мм, укрепленных при помощи скоб и винтов в металлическом корпусе 11. Около трубки расположена шкала 13, которая может перемешаться с помощью ходового винта 5 с головкой 9 . Ходовой винт с головкой служит для корректировки нуля, позволяя при установке и эксплуатации прибора совмещать нулевую отметку шкалы с меткой рабочей жидкости в измерительной трубке. В верхней части корпуса закреплены штуцеры 3 и 6 , соединенные резиновыми трубками 2 и 10 с сосудом и измерительной трубкой.

При измерении давления прибор сообщается со средой через штуцер 3, а при измерении разрежения — через штуцер 6. Для установки тягонапоромера под определенным углом наклона служит уровень 4. Прибор устанавливается при помощи ушек 1 и 8 , из которых последние позволяют менять угол наклона корпуса с помощью винта 7 .

Рис.2 Жидкостные тягонапоромеры:

а — однотрубный типа ТНЖ-Н; б — дифференциальный типа ТДЖ; 1,8 — ушки; 2, 10 — резиновые трубки; 3, 6 — штуцеры; 4 — уровень; 5 — ходовой винт; 7 — винт для установки прибора по уровню; 9 — головка; 11 — корпус; 12 — измерительная трубка, 13 — шкала; 14 — стеклянный сосуд; 15 — сосуд с жидкостью;

16 — фронтальная рама

Тягонапоромеры типов ТНЖ-Н и ТНЖ-Щ изготовляются с верхним пределом измерения 0,25; 0,4; 0,6; 1,0 и 1,6 кПа (25; 40; 63; 100 и 160 кгс/м 2 ) В качестве рабочей жидкости используется подкрашенный этиловый спирт плотностью 850 кг/м 3 .

Для технических измерений применяется жидкостный дифференциальный тягонапоромер типа ТДЖ (рис. 2, б). Прибор имеет стеклянную измерительную трубку 12 с внутренним диаметром 10 мм, расположенную вертикально и соединенную резиновой трубкой 2 с сосудом 15. Сосуд 15 для установки нулевого положения мениска жидкости по шкале 13 может перемешаться по вертикали при помощи ходового винта 5. Тягонапоромер комплектуется из отдельных приборов на 1, 2, 3, 4 и 6 точек измерения с общей фронтальной рамой 16.

Тягонапоромеры ТДЖ имеют шкалу с верхним пределом измерения 1,6...6,3 кПа (160, 630 кгс/м 2 ). Рабочей жидкостью является подкрашенная дистиллированная вода.

Мембранные тягонапоромеры являются показывающими мембранными приборами. Большое распространение получили мембранные тягонапоромеры типов ТМ-П1 (тягомер), НМ-П1 (напоромер) и ТНП-П1 (тягонапоромер) с горизонтальной профильной шкалой и рычажным передаточным механизмом. Их устройство принципиально одинаковое, за исключением передаточного механизма, формы шкалы и корпуса.

На рис. 3 приводится мембранный тягомер типа ТМ-П1 В прямоугольном корпусе (на схеме не показан) при помощи штуцера 8 закреплена упругая мембранная коробка 1 , состоящая из двух спаянных по краям гофрированных дисковых мембран, выполненных из бериллиевой бронзы.

Рис. 3. Показывающий мембранный тягомер

типа ТМ-П1 с профильной шкалой:

1 — мембранная коробка; 2 — фасонный рычаг; 3, 12 — ось;

4 — поводок, 5 — пружина; 6 — корректор нуля; 7 — соединительная трубка; 8 — штуцер; 9 — рычаг; 10 — стопорный винт;

11 — противовес; 13 — стрелка; 14 — тяга; 15 —волосок

Внутренняя полость мембранной коробки сообщается с измеряемой средой (в данном случае со средой меньшего давления), а полость корпуса прибора — с атмосферой (со средой большего давления). С помощью поводка 4 верхняя часть мембранной коробки соединена с фасонным рычагом 2, сидящим на оси 3. Для увеличения жесткости упругой системы ось 3 закреплена на скобообразной плоской пружине 5 .

Под воздействием переменной разности давлении мембранная коробка сжимается и разжимается, вызывая перемещение рычага 2 , тяги 14 и рычага 9 , сидящего на оси 12. На этой же оси закреплена стопорным винтом 10 указывающая стрелка 13 с противовесом 11. Конец стрелки передвигается вдоль горизонтальной профильной шкалы (на схеме не показана). Спиральная пружина (волосок 15 ), закрепленная одним концом на оси стрелки и другим на неподвижной части прибора, служит для устранения влияния зазоров (люфтов) в сочленениях рычажного механизма. Для установки стрелки прибора на начальную отметку шкалы служит корректор нуля 6 . При вращении винта корректора происходят изгиб пружины 5 и передвижение рычажной системы, связанной со стрелкой.

Пружинные манометры . Наиболее широкое применение для измерения избыточного давления жидкости, газа и пара получили пружинные манометры.

Принцип действия пружинных манометров основан на использовании упругой деформации специальных 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. 4. 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 . 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.

Рис. 4. 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.

Электроконтактные манометры. В системах автоматического регулирования технологических процессов, в схемах сигнализации, устройствах тепловой зашиты и т.д. применение нашли электроконтактные манометры. На рис. 5 показаны принципиальная схема и внешний вид электроконтактного манометра типа ЭКМ. В этом приборе в качестве упругого чувствительного элемента используется одновитковая трубчатая пружина. По своему устройству прибор типа ЭКМ отличается от рассмотренного ранее пружинного манометра (рис. 4) 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 Л З 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 Л к .

Выпускаемые приборы типа ЭКМ имеют класс точности 2,5.

Рис. 5. Электроконтактный манометр типа ЭКМ

а — схема прибора; б — внешний вид манометра;

1,3, 5 — электрические контакты; 2 — головка с винтом;

4 — стрелка; Л K , Л З — лампы красного и зеленого цвета.

Манометры электрические дистанционные. В пружинных манометрах электрических дистанционных типа МЭД происходит преобразование в электрический сигнал давления измеряемой среды, приводящего к механической деформации измерительной части прибора.

На рис. 6 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 е 1 и е 2 , значения которых зависят от тока питания первичной обмотки и взаимных индуктивностей М 1 и М 2 между секциями 1 и 2 вторичной и первичной обмоток. Взаимные индуктивности М 1 и М 2 равны между собой при среднем положении сердечника внутри катушки преобразователя. При перемещении сердечника вверх из среднего положения значение взаимной индуктивности М 1 увеличивается, а М 2 уменьшается. При этом изменяется величина и фаза выходного сигнала Е дифференциально-трансформаторного преобразователя.

Рис.6. Манометр электрический пружинный дистанционный типа МЭД:

1 — трубчатая пружина; 2 — сердечник (плунжер); 3 — дифференциально-трансформаторный преобразователь;

R 1 , R 2 — сопротивления; р — импульс давления; Е — выходной сигнал.

Дифференциальные манометры. Для определения разности (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. 7 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 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. При измерении предельного перепада давления h уровень рабочей жидкости в широком сосуде понижается максимально на величину h 2 , а уровень жидкости в узком сосуде повышается на величину h 2 . Классы точности выпускаемых приборов — 1 и 1,6.

Рис.7. 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; h 1 , h 2 — уровни жидкости относительно нуля.

Колокольный дифференциальный манометр типа ДКО (рис.8) является бесшкальным прибором, снабженным дифференциально-трансформаторным 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 колоколом сообщается со средой большего давления, а пространство под ним — со средой меньшего давления. С колоколом жестко связан стальной плунжер 7 , перемещающийся внутри индукционной катушки 6 датчика. При настройке прибора степень натяжения пружины 3 можно изменять винтовым устройством 2. В основание корпуса прибора встроена маслоуловительная камера 8, предохраняющая от сброса масла при увеличении измеряемого перепада давления сверх допустимой величины.

Класс точности прибора — 1,6.

Дифференциальный манометр типа ДКО применяется также в качестве тягонапоромера.

Рис.8. Колокольный дифференциальный

манометр типа ДКО:

1 — соединительные трубки; 2 — винт;

3 — пружина; 4 — сосуд с трансформа­торным маслом; 5 — колокол; 6 — индукционная катушка; 7 — плунжер; 8 — маслоуловительная камера

Мембранные дифференциальные манометры типа ДМ (рис. 9) являются бесшкальными приборами с дифференциально-трансформаторным датчиком для дистанционной передачи показаний на вторичные приборы.

Чувствительным элементом дифференциального манометра является мембранный блок, состоящий из сообщающихся мембранных коробок 16 и 17 , изготовленных из бериллиевой бронзы или нержавеющей стали, ввернутых при помощи штуцеров 10 и 12 в разделительную диафрагму 11. Каждая мембранная коробка состоит из двух сваренных по краям гофрированных мембран.

Мембранная коробка 16 расположена в нижней (плюсовой) камере прибора, а коробка 17 — в верхней (минусовой) камере. 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.

Рис. 9. Мембранный дифференциальный

манометр типа ДМ:

1 , 2, 3 — запорные вентили; 4 — колпак;

5 — разделительная трубка; 6 —индукционная катушка; 7 — плунжер; 8 — стержень; 9, 19 — соединительные трубки; 10,12 — штуцеры; 11 — разделительная диафрагма; 13, 18 — крышки; 14 — болт;

15— ниппель; 16, 17 —мембранные коробки.