поперечное сечение не деформируется при воздействии давления.
Манометр с трубчатой пружиной (рис. 5.1, в) состоит из труб-
чатой пружины 1, один конец которой впаян в отверстие держателя
2, а другой конец наглухо запаян и несет на себе тягу 3. Полость
пружины связана с измеряемой средой через канал в держателе.
Перемещение свободного конца пружины передается зубчатому сек-
тору 4 и шестерне 5, на оси которой насажена стрелка 6 прибора для
отсчета показаний на шкале 7. Прибор устанавливается на техноло-
гическом объекте с помощью штуцера 8. Верхний предел измерения
таких манометров 103 МПа.
Сильфом представляет собой тонкостенную трубку с кольцевыми
гофрами на боковой поверхности. Его упругость определяется мате-
риалом и толщиной стенки, числом гофр и их кривизной. Сильфоны
изготавливают из бронзы, нержавеющей стали и т.д. Схема сильфон-
ного дифманометра показана на рис. 5.2.
Под действием разности давлений сильфон 1, расположенный в
плюсовой камере дифманометра, сжимается, и кремнийорганическая
жидкость, заполняющая внутреннюю полость сильфона 1, частично
вытесняется во внутреннюю полость сильфона 2, находящегося в
минусовой камере дифманометра. При этом перемещается шток 3,
жестко соединенный с дном сильфона 2. Со штоком соединен конец
рычага 4, на который насажена стрелка прибора 5 для отсчета по-
казаний по шкале 6. Для увеличения жесткости сильфонов внутри
них могут быть установлены винтовые пружины.
Сильфоны более чувствительны к изменению давления, чем труб-
чатые пружины. Поэтому сильфонные манометры применяют для
измерения сравнительно небольших разрежений и давлений.
В сильфонных манометрах суммарная жесткость пружины и силь-
|
|
фона Км определяется как
где К„ — жесткость пружины; Кс — жесткость одного гофра; п — чис-
ло гофр.
Противодействующее усилие Fnp, создаваемое пружиной и силь-
фоном при их сжатии на величину h, равно
Верхний предел измерений сильфонных манометров 0,4 МПа.
Сильфоны также применяются в качестве гибких соединений
трубопроводов, компенсаторов температурных удлинений, упругих
разделителей сред и т. п.
Мембраны (или пластинчатые пружины) представляют собой
гибкие плоские или гофрированные диски, способные получать
прогиб под действием давления. Статическая характеристика пло-
ских мембран изменяется нелинейно с увеличением давления, по-
этому в качестве рабочего участка используют небольшую часть
возможного хода. Гофрированные мембраны могут применяться при
больших прогибах, чем плоские, так как имеют значительно мень-
шую нелинейность характеристики. При этом чем больше глубина
гофр, тем линейность статической характеристики выше. Различают
упругие и эластичные мембраны. У п р у г и е мембраны выполняют-
ся из стали, бронзы, латуни и др. Э л а с т и ч н ы е мембраны изго-
тавливаются из прорезиненной ткани, тефлона и т. п. и предназна-
чены для измерения малых давлений и разности давлений. Для уве-
личения перестановочного усилия и уменьшения нелинейности
характеристики применяют эластичные мембраны с жестким цен-
тром, представляющим собой два металлических диска, закрепленных
с двух сторон на мембране.
В мембранном манометре (рис. 5.3) мембрана 1 зажимается или
приваривается по краю между двумя фланцами 2. Давление, действую-
|
|
щее на мембрану, вызывает ее прогиб, в результате которого изогнутый
шток 3 совершает вертикальное перемещение. Перемещение штока
передается зубчатому сектору 4 и шестерне 5, на оси которой насажена
стрелка 6 прибора для отсчета показаний по шкале 7. Прибор устанав-
ливается на технологическом объекте с помощью штуцера 8.
В результате кольцеобразного крепления мембраны менее вос-
приимчивы к вибрациям по сравнению с трубчатыми пружинами,
однако погрешность показаний при изменениях температуры у них
больше. Благодаря опорам для мембран достигается повышенная
стойкость к перегрузкам. Покрытия или фольга, наносимые на по-
верхность мембран, обеспечивают защиту от коррозийных измеряе-
мых сред. Широкие соединительные отвер-
стия или открытые соединительные фланцы,
а также возможности по промывке делают
мембраны особенно пригодными при работе
с высоковязкими, загрязненными или кри-
сталлизующимися веществами.
При необходимости получения большого
прогиба мембраны соединяются в так назы-
ваемые мембранные коробки, а также блоки,
Рис. 5.3. Мембранный манометр:
1 — гофрированная мембрана; 2 — фланцы; 3 — шток;
4 — зубчатый сектор; 5 — шестерня; 6 — стрелка; 7 —
шкала; 8— штуцер; Р — измеряемое давление__
собранные из нескольких коробок. Манометры с мембранной короб-
кой особенно пригодны для измерений давления газообразных сред.
При измерении атмосферного давления получили распространение
гофрированные мембранные коробки, из внутренней полости кото-
рых удален воздух.
Верхний предел измерений мембранных манометров 2,5 МПа.
|
|
5.4. Грузопоршневые манометры
Принцип действия грузопоршневых манометров основан на
уравновешивании измеряемого давления калиброванным грузом,
действующим на поршень. Они применяются для измерения давления
до 103 МПа, а также для градуировки и поверки манометров других
типов.
Грузопоршневой манометр (рис. 5.4) имеет грузовую и поршневую
части. Грузовая часть состоит из колонки 1, в центральной части
которой имеется полированный цилиндрический канал, в который
вставляется поршень 2. Поршень в верхней части имеет тарелку 3,
на которую накладываются контрольные грузы 4. Канал колонки со-
общается с горизонтальным каналом 5, который соединен со штуце-
рами 6 и 7, бачком с рабочей жидкостью 8 и поршневой частью ма-
нометра. Поршневая часть состоит из цилиндра 9 с поршнем 10, шток
которого выполнен в виде винта со штурвалом 11. Вентили 12... 15
служат для перекрытия соответствующих каналов. Полость системы
заполнена рабочей жидкостью (трансформаторным маслом). В шту-
цер 6 устанавливается поверяемый манометр 16. Давление в системе
изменяют, перемещая поршень 10 с помощью штурвала 11 (при этом
вентиль 15 закрыт). На поршень 2, свободно перемещающийся в
канале колонки 1, действуют две противодействующие силы: сила,
создаваемая давлением жидкости, и сила тяжести поршня и грузов.
При равенстве этих сил поршень уравновешивается и поднимается
на определенную высоту. При равновесии поршня создаваемое им
давление Р будет равно
где G — вес поршня и грузов; S — площадь поперечного сечения
поршня.
Площадь обычно составляет 1 см2, поэтому создаваемое давление
равно весу поршня и груза. Вес поршня с тарелкой равен 1 кг. Вес
отдельных грузов указывается на них. Таким образом, поверка ма-
нометров производится путем сравнения показаний поверяемого
прибора 16 с весом поршня с грузами (элементы 2, 3, 4). Поверку
манометров можно также осуществлять методом непосредственного
сличения показаний поверяемого прибора 16 и образцового при-
бора 17 при измерениях одних и тех же величин. При этом грузовая
часть грузопоршневого манометра в процессе не участвует (вентиль
13 закрыт).
Измерение внешнего давления с помощью грузопоршневого
манометра производят следующим образом. Давление в системе
доводят до атмосферного (штурвал 11 полностью выкручивают про-
тив часовой стрелки), вентили 12 и 13 открывают, 14 и 75закрыва-
ют. К штуцеру 6 с помощью импульсной трубки подводят измеряе-
мое давление. Устанавливая на тарелку 3 необходимое количество
контрольных грузов 4, добиваются равновесия поршня 2. При этом
вес контрольных грузов с тарелкой является мерой измеряемого
давления.
5.5. Измерительные преобразователи
давления
5.5.1. Пьезоэлектрические преобразователи
Принцип действия пьезоэлектрических измерительных преобра-
зователей давления основан на явлении пьезоэффекта, рассмотрен-
ном в гл 2. Измеряемое давление Р преобразуется мембраной 1 в
усилие, вызывающее сжатие кварцевых пластин 2 (рис. 5.5). С по-
где Е — ЭДС на обкладках датчика; е — диэлектрическая проницае-
мость материала пластин;/ — площадь грани, перпендикулярной к
оси деформации; к — пьезоэлектрическая постоянная материала пла-
стин; F — эффективная площадь мембраны; d — толщина пластин.
Из-за утечки заряда с кварцевых пластин пьезодатчики давления
не используются для измерения статических давлений. Одна из сфер
их применения — преобразование быстропеременного и импульсно-
го давления в электрический сигнал в вихревых расходомерах, рас-
сматриваемых в гл. 6. Верхний предел измерений пьезоэлектрических
измерительных преобразователей давления 100 МПа.
5.5.2. Тензорезисторные преобразователи
Принцип действия тензорезисторных измерительных преобразова-
телей давления основан на явлении тензоэффекта, рассмотренном
в гл. 2. На сегодняшний день тензорезисторные измерительные преоб-
разователи давления (в переводной литературе их иногда называют
пьезорезисторными, не надо путать с пьезоэлектрическими) являются
самыми популярными в мире. Они представляют собой металлическую
и (или) диэлектрическую измерительную мембрану, на которой раз-
мещаются тензорезисторы. Деформация мембраны под воздействием
внешнего давления приводит к локальным деформациям тензорезисто-
ров, включенным обычно в плечи четырехплечего уравновешенного
моста. При этом одна пара тензорезисторов, включенных в противопо-
ложные плечи моста, имеет положительную тензочувствительность, а
другая — отрицательную. Их сопротивления при подаче давления со-
ответственно увеличиваются и уменьшаются на величину AR. При от-
сутствии давления все четыре сопротивления равны по величине и мост
сбалансирован. При подаче давления баланс (равновесие) моста на-
рушается, и в измерительной диагонали моста будет протекать ток. Этот
токовый сигнал и является мерой измеряемого давления.
Как уже было отмечено в гл. 2, тензорезисторы выполняются как
из металлов (проволочные, фольговые), так и из полупроводников.
Поскольку чувствительность полупроводниковых тензорезисторов в
десятки раз выше, чем у металлических, и, кроме того, интегральная
технология позволяет в одном кристалле кремния формировать одно-
временно как тензорезисторы, так и микроэлектронный блок обра-
ботки, то в последние годы получили преимущественное развитие
интегральные полупроводниковые тензорезисторные чувствительные
элементы. Такие чувствительные элементы реализуются двумя спо-
собами: 1) по гетероэпитаксиальной технологии «кремний на сап-
фире» (КНС), в соответствии с которой тонкая пленка кремния
выращивается на подложке из сапфира, припаянной твердым при-
поем к титановой мембране (рис. 5.6, а); 2) по технологии диффузи-
онных резисторов с изоляцией их от проводящей кремниевой под-
ложки р-и-переходами — технология «кремний на кремнии» (КНК).
В структуре КНК мембрана из монокристаллического кремния раз-
мещается на диэлектрическом основании с использованием легко-
плавкого стекла или методом анодного сращивания (рис. 5.6, б).
Особенно широкое применение в изготовлении общепромышлен-
ных измерительных преобразователей давления в настоящее время
получила технология КНС. К ее преимуществам можно отнести хо-
рошую защищенность чувствительного элемента от воздействия
любой агрессивной среды, налаженное серийное производство, низ-
кую стоимость. Однако структура КНС имеет и недостатки: времен-
ную нестабильность градуировочной характеристики и существенную
погрешность гистерезиса от давления и температуры. Это обуслов-
лено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с
конструктивными элементами датчика. Измерительные преобразо-
ватели давления, выполненные на основе структуры КНК, имеют
большую временную и температурную стабильность по сравнению с
преобразователями на основе КНС-структур.
Наибольшую погрешность в результат измерения давления с
помощью тензорезисторных измерительных преобразователей
вносит изменение температуры. Для ее уменьшения в связи с ши-
роким применением в последнее время интеллектуальных преоб-
разователей, как правило, используется автоматическое введение
поправок на температуру. При этом первичный преобразователь
(тензорезисторный чувствительный элемент) подвергается пред-
варительной градуировке при различных значениях температуры.
Эти градуировочные данные вводятся в память микропроцессора
интеллектуального преобразователя. При эксплуатации преобра-
зователя измеряются температура и выходной ток датчика, и путем
аппроксимации градуировочных данных вычисляется измеряемое
давление.
5.5.3. Емкостные преобразователи
В емкостном измерительном преобразователе давления измеряе-
мое давление воспринимается металлической мембраной, являющей-
ся подвижным электродом конденсатора. Неподвижный электрод
изолируется от корпуса с помощью изолятора. Зависимость емкости С
конденсатора от перемещения δ мембраны, которое, в свою очередь,
зависит от давления, имеет вид
где ε0 — электрическая постоянная; ε — диэлектрическая проницае-
мость среды, заполняющей межэлектродный зазор; S — площадь
электродов; δ0 — расстояние между электродами при давлении, рав-
ном нулю.
В емкостных дифференциальных измерительных преобразователях
давления (рис. 5.7) чувствительный элемент состоит из двух соеди-
ненных конденсаторов. Воздействие давления вызывает изменение
положения измерительной (сенсорной) мембраны центральной об-
кладки конденсатора, которое приводит к изменению обеих емкостей
конденсаторов.
Емкостные преобразователи давления применяют для измерения
быстро изменяющегося давления с верхним пределом до 120 МПа.
5.5.4. Резонансные преобразователи
Резонансный принцип используется в датчиках давления на осно-
ве вибрирующего цилиндра, струнных датчиках, кварцевых датчиках,
резонансных датчиках на кремнии. В основе метода лежат волновые
процессы: акустические или электромагнитные. Это и объясняет вы-
сокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики
прибора.
Частным примером может служить резонансный измерительный
преобразователь давления с кремниевым механическим резонато-
ром — разработка фирмы Yokogawa (ОРНагр-тсхнопотмя). Крем-
ниевый резонатор (рис. 5.8) представляет собой параллелепипед
плоской формы, защищенный герметичной капсулой и интегриро-
ванный в плоскость кремниевой мембраны. Резонатор возбуждается
сигналом переменного тока и окружающего магнитного поля. В за-
висимости от знака приложенного давления резонатор растягивается
или сжимается, в результате чего частота его собственных механиче-
ских колебаний растет или уменьшается соответственно. Колебания
механического резонатора в постоянном магнитном поле преобразу-
ются в колебания электрического контура, и в итоге на выходе чув-
ствительного элемента образуется цифровой (частотный) сигнал,
пропорциональный величине измеряемого давления.
Кроме кремниевых резонансных чувствительных элементов суще-
ствуют кварцевые резонансные чувствительные элементы, принцип
действия которых аналогичен принципу действия кремниевых
Преимуществами резонансных датчиков являются высокая точ-
ность и стабильность характеристик, которые зависят от качества
используемого материала. К недостаткам можно отнести: индивиду-
альную характеристику преобразования давления, значительное
время отклика, невозможность проведения измерений в агрессивных
средах без потери точности показаний прибора.
5.6. Особенности эксплуатации и монтажа СИ
давления
Получение достоверных результатов при измерениях давления
зависит не только от характеристик используемого СИ, но и от их
правильного монтажа, а также соблюдения условий эксплуатации.
Существует несколько положений, которые должны выполняться
независимо от характера производства.
Присоединение СИ давления к объекту измерения осуществляет-
ся одним из трех способов: 1) давление подводится к СИ давления
по импульсным линиям (с внутренним диаметром 2... 15 мм и длиной
до 50 м); 2) СИ давления вворачиваются в гнездо или специальный
штуцер непосредственно в местах отбора давления; 3) СИ давления
устанавливаются в отверстия и привариваются к объектам.
При монтаже СИ давления с помощью импульсных линий необ-
ходимо соблюдать следующие требования. Место отбора давления в
жидких средах не рекомендуется выбирать в нижних и верхних точках
трубопроводов во избежание попадания шламов, взвесей и газов в
импульсные линии, а в газовых средах — в нижних точках во избе-
жание попадания влаги в импульсные линии. По этой же причине
импульсные линии прокладывают без перегибов и с установкой кон-
денсатоотводчиков. Необходимо, чтобы устройства отбора давления
не вызывали возмущения течения среды, т. е. края отверстий в стен-
ках трубопроводов не выступали в ее поток.
При измерении давлений агрессивных и вязких сред, а также сред,
застывающих при обычных температурах воздуха (например, мазут),
для защиты СИ давления применяются мембранные или жидкостные
разделительные емкости (разделители), с помощью которых внутрен-
няя полость измерительного прибора отделяется от рабочей среды.
В случае использования мембранных разделителей внутренняя по-
лость СИ давления и пространство до мембраны заполняются крем-
нийорганической жидкостью, при этом жесткость мембраны разде-
лителя должна быть намного меньше жесткости чувствительного
элемента СИ давления. Мембранные разделители вносят в показания
прибора дополнительную погрешность около 1 %.
Мембранные разделители изготавливаются с закрытой и откры-
той мембранами. Разделители с з а к р ы т о й мембраной состоят из
верхнего и нижнего фланцев, между которыми устанавливается
мембрана. В конструкции разделителей с о т к р ы т о й мембраной
отсутствует нижний фланец. Открытая мембрана не дает возмож-
ности кристаллизующимся средам и твердым осадкам скапливаться
в значительном количестве, затрудняющем или совершенно пре-
кращающем передачу давления к чувствительному элементу. Кроме
того, она доступна для периодической очистки. При монтаже раз-
делителей с открытой мембраной присоединение этих разделителей
к месту отбора давления осуществляется фланцами, закрепляемыми
болтами.
В жидкостных разделительных сосудах применяется нейтраль-
ная жидкость, контактирующая с чувствительным элементом СИ
давления и с агрессивной средой, давление которой измеряется, при
этом плотность нейтральной жидкости должна существенно отли-
чаться от плотности измеряемой среды. Использование жидкостных
разделителей при измерении жидких сред может со временем при-
вести к смешиванию в результате диффузии измеряемой и раздели-
тельной среды, т.е. к утрате самой разделительной функции с соот-
ветствующими последствиями, а при измерении газовых сред — к
диффузии газа в разделительную среду с переводом ее в двухфазное
состояние с потерей функции несжимаемости, что ведет к росту по-
грешности измерения давления.
Приборы для измерения давления лучше всего размещать так,
чтобы на них дополнительно не действовало давление столба жидко-
сти в линии, иначе в показания манометра вводится указываемая на
приборе поправка со знаком «+» (если манометр расположен выше
места отбора давления) и «-» (если прибор расположен ниже). При
температуре среды более 25 °С также вводится поправка к показани-
ям на каждые 10 °С. При измерении пульсирующего давления (на-
пример, в напорной линии насосов) для его сглаживания перед ма-
нометром устанавливают дроссель.
Показывающие приборы для измерения давления выбираются
таким образом, чтобы конечное значение их шкалы превышало из-
меряемую величину при стабильном давлении в 1,5 раза, а при колеб-
лющемся — в 2 раза. В обоих случаях минимальное измеряемое
давление должно быть не меньше 1/3 диапазона шкалы прибора.
Рабочие средства измерений давления подвергаются периодиче-
ским поверкам образцовыми грузопоршневыми манометрами. Для
большинства СИ давления межповерочный интервал составляет один
год. Если СИ работают в условиях повышенной вибрации и темпе-
ратуры, этот период может быть сокращен.
Контрольные вопросы
1. Какие существуют виды давления?
2. В чем отличие приборов для измерения давления от измерительных пре-
образователей давления?
3. В чем заключается принцип действия жидкостных манометров?
4. Какой из деформационных чувствительных элементов применяется для
измерения больших значений давления: трубка Бурдона или сильфон?
Почему?
5. В чем преимущество гофрированных мембран перед плоскими?
6. Какие вы знаете типы полупроводниковых тензорезисторных чувстви-
тельных элементов?
7. В чем заключается принцип действия резонансных измерительных пре-
образователей давления?
8. Какие устройства используются для защиты манометров от действия вы-
соких температур и агрессивных сред?
Гл а в а 6
ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
6.1. Общие сведения об измерении расхода.
Классификация СИ расхода
Расход протекающих по трубопроводам жидких и газообразных
веществ является одним из важнейших параметров технологических
процессов.
Расходом вещества называется количество вещества (объем Кили
масса /и), протекающее через данное сечение канала в единицу вре-
мени. Соответственно, различают объемный расход, измеряемый в
м3/с (м3/ч, л/мин и т.д.), и массовый расход, измеряемый в кг/с
(кг/ч, т/ч и т.д.). СИ расхода называются расходомерами. Расход
может быть средним и мгновенным. Средний расход — это отношение
количества вещества к некоторому промежутку времени ∆t:
Расходомеры измеряют мгновенный расход. Для измерения количе-
ства вещества за определенный период времени применяются расходо-
меры с интеграторами или счетчики. Интегратор непрерывно сумми-
рует показания расходомера, а количество вещества определяется по
разности показаний интегратора за требуемый промежуток времени:
Счетчики также измеряют количество вещества за некоторый
промежуток времени (сутки, месяц и т.д.). По показаниям счетчиков
можно определить средний расход по формулам (6.1). Количество
вещества V, прошедшее через счетчик за выбранный промежуток
времени ∆ t = t2-tu определяется по разности показаний счетчика N2
и Nx, взятых в моменты времени U и:
где q — постоянная счетчика, определяющая количество вещества,
приходящееся на единицу показания счетчика.
Постоянная счетчика определяется экспериментально.
Измерение расхода и количества является сложной задачей, по-
скольку на показания приборов влияют физические свойства изме-
ряемых потоков: плотность, вязкость, соотношение фаз в потоке
и т. п. Физические свойства измеряемых потоков, в свою очередь,
зависят от условий эксплуатации, главным образом от температуры
и давления.
При измерении расходов газа с целью получения результата из-
мерения, не зависящего от давлений и температуры потока, его вы-
ражают в объемных единицах, приведенных к нормальным условиям
(нм3). В качестве нормальных условий в технике приняты: темпера-
тура tK = 20 °С, давление Ри = 101 325 Па (760 мм рт. ст.) и относитель-
ная влажность ф = 0 %.
Для измерения расхода и количества жидкостей и газов использу-
ются различные виды СИ: объемные счетчики, турбинные (скорост-
ные) расходомеры, расходомеры переменного перепада давления
(дроссельные), расходомеры постоянного перепада давления (рота-
метры), электромагнитные, тепловые (калориметрические), ультра-
звуковые, вихревые, кориолисовые и некоторые другие расходомеры.
Выбор расходомера определяется большим количеством факторов,
таких как измеряемая среда, ее термо- и гидродинамические харак-
теристики, требуемые диапазон и точность измерения и ряд других.
6.2. Объемные счетчики
Принцип действия объемных счетчиков основан на непосред-
ственном отмеривании объемов измеряемой среды с помощью мер-
ных камер известного объема и подсчета числа порций, прошедших
через счетчик. Наиболее распространенным объемным счетчиком
различных жидкостей, в том числе нефти и нефтепродуктов, являет-
ся объемный шестеренчатый счетчик (рис. 6.1). Внутри корпуса 1
размещены две находящиеся в зацеплении овальные шестерни 2 и 3.
Набегающий на шестерни измеряемый поток заставляет их вращать-
ся. Вращение шестерен происходит в направлении стрелок. В поло-
жении, представленном на рис. 6.1, а, происходит заполнение объема
между корпусом и левой частью шестерни 2, а объем правее этой
шестерни вытесняется. В том же положении между шестерней 3 и
корпусом отсекается измеряемый объем жидкости V„ которая будет
затем вытесняться в положениях, представленных на рис. 6.1, б и в.
За один оборот шестерен измерительные полости F, и V2 дважды на-
полняются и дважды опорожняются. В итоге за один оборот через
счетчик проходит объем жидкости, равный четырем объемам F, (или
V2). Ось одной из шестерен вращает счетный механизм, расположен-
ный вне корпуса прибора. Эти счетчики имеют высокую точность
измерения, малую потерю давления, независимость показания от
вязкости. Однако их недостатком является необходимость хорошей
