2.2.2 Колокольные дифманометры

 

Колокольные дифманометры (см. рисунок 2.3) представляют собой колокол, погруженный в рабочую жидкость и перемещающийся под влиянием разности давлений. Противодействующая  сила создается за счет утяжеления колокола при его подъеме и уменьшении тяжести колокола при его погружении. Достигается это за счет изменения гидростатической подъемной силы, действующей на колокол согласно закону Архимеда.

Принцип действия: если давления в измерительных камерах 2 и 3 равны, то колокол 1 находится в положении, показанном на рисунок 2.3,А.

Если перепад давления d(Р1 – Р2) существует, то колокол всплывает. Всплытие происходит до тех пор, пока изменение подъемной силы от перепада давления на колокол и изменение гидростатической подъемной силы не уравновесятся.

 

                            Рисунок 2.3 -  Схема колокольного дифманометра   

                                                                                   

В состоянии равновесия

                      d(Р1- Р2 )F= (dH+dY)fg(p- p),

                       dh=dY+dX,

                      d(Р1-Р2 )=dh(p- p)g,

                       FdY=dfdH+(Ф-F)dY,

 

где F-площадь внешнего поперечного сечения колокола;

         dH-перемещение колокола;

 dY-перемещение жидкости под колоколом;

 df-площадь поперечного сечения стенок колокола;

 dh-разность уровней жидкости снаружи и внутри колокола;

 dX-перемещение жидкости внутри сосуда;

  Ф-площадь поперечного сечения широкого сосуда;

 f-внутренняя площадь поперечного сечения колокола;

 p, p- плотность рабочей жидкости и измеряемой среды.

Отсюда                            .

 

После интегрирования от 0 до (Р1-Р2)

                                     .                                          (2.6)

                

Формула (2.6) -статическая характеристика колокольного дифманометрас гидростатическим уравновешиванием.

Для обеспечения измерения перепада давления в широком диапазонедолжно быть  по возможности уменьшено.

Колокольный  дифманометр  обладает высокой чувствительностью. Поэтому  может быть использован для измерения малых давлений, перепадов давлений и разряжений.

Некоторые модификации колокольных дифманометров снабжаются преобразователями П, посредством которых перемещение колокола преобразуется в унифицированный сигнал, передаваемый по каналу связи.

 

 

 

P

         

2.3Деформационные средства измерения давления

 

Принцип действиядеформационных  СИ основан на использовании упругой деформации чувствительного элемента (ЧЭ) или развиваемой им силы.

 

2.3.1 Чувствительные элементы

 

Мерой измеряемого давления в СИ данного типа является деформация упругого ЧЭ или развиваемая им сила.

Различают три основных формы ЧЭ: трубчатые пружины, сильфоны, мембраны (см. рисунок 2.4).

 

Трубчатые пружины

 

Трубчатая пружина –  манометрическая пружина (пружина Бурдона) - это упругая криволинейная металлическая полая трубка, один из концов которой имеет возможность перемещаться, а другой жестко закреплен. Трубчатая пружина в основном используется для преобразования измеряемого

 

 

Рисунок 2.4 – Чувствительные элементы деформационных СИ давления

давления, поданного во внутреннее пространство пружины, в пропорциональное перемещение ее свободного конца.

Одновитковая трубчатая пружина.

Наиболее распространена одновитковая трубчатая пружина с овальным поперечным сечением (см. рисунок 2.4,а)

                                                   N  = kP,                                                   (2.7)

гдеN – сила;

P– давление;

k=  f(),- центральный угол трубки.

Практически увеличениедостигается путем увеличения витков трубчатой пружины (см. рисунок 2.4,б)

                                         = 360 n, 

где   n – число витков.

 Криволинейные и прямолинейные трубчатые пружины.

Для измерения высоких Р ≤1000кПа используются прямолинейные (см. рисунок 2.4,в)  и криволинейные (см. рисунок 2.4,г) трубчатые пружины.

Перемещение свободного конца происходит не из-за изменения поперечного сечения, а благодаря изгибающему моменту.

Основной недостаток прямолинейной трубчатой пружины - малый угол поворота, что требует применения передаточных механизмов.

Этого недостатка лишена криволинейная трубчатая пружина  овального или звездчатого сечения. Угол поворота витой трубчатой пружины равен  40-60. Поэтому стрелка может быть укреплена непосредственно на свободном конце пружины без применения передаточного механизма.

Трубчатые пружины для Р ≤ 5 МПа изготавливают из латуни, бронзы; для Р ≥  5 МПа – из легированных  сплавов, из стали различных составов; для

Р ≥ 1000 Мпа – из легированной сталиь типа 50ХФА.

 

 Сильфоны

 

Сильфон-тонкостенная цилиндрическая оболочка с поперечными гофрами, способная получать значительные перемещения под действием давления или силы (см. рисунок 2.4,д).

Отношение действующей на сильфон силы к вызванной ею деформации остается постоянным и называетсяжесткостью сильфона. Для увеличения жесткости сильфона часто внутри помещают пружину.

Сильфоны изготавливают чаще всего из бронзы, нержавеющей стали, алюминиевых сплавов.

Диаметр сильфонов = 8-10 мм, 80-100 мм.

Осевое перемещение δ дна сильфона под действием осевой силыN

                                             =kN  ,                                                           (2.8)

где    k = f (R, r, n,);

R– радиус сильфона;

r– радиус закругления гофров;

n– число гофров;

 - угол уплотнения.

                                          N =ΔPFэф,  

где ΔP - разность давлений, действующих на сильфон;

Fэф – эффективная площадь сильфона.

 

          Мембраны

 

Мембраны бывают: упругие и эластичные (вялые).

Упругие мембраны– гибкая круглая плоская или гофрированная пластина, способная получить прогиб под действием давления.  

Статическая характеристика плоских мембран – нелинейная с увеличением давления Р.  Поэтому в качестве  рабочего участка используется небольшая  часть возможного хода.

На рисунке 2.4  представлены схематические изображенияплоской(е) игофрированной(ж) мембран.

Гофрированная мембранаможет  применяться при больших прогибах, чем плоские, т.к. имеют значительно  меньшую нелинейность характеристики.

Мембраны  выполнены из различных марок стали, бронзы, латуни.

Глубина гофр оказывает существенное влияние на линейность статической характеристики: чем больше глубина, тем более линейна характеристика.

При измерении атмосферного давления используются  гофрированные мембранные коробки, из которых удалён воздух.

Эластичные мембраны  предназначены для измерения малых давлений и разности давлений и представляют  собой плоские (см. рисунок 2.4,м) или гофрированные (см. рисунок 2.4,н) диски, выполненные из прорезиненной ткани, тефлона и других материалов.

В большинстве случаев используют лишь часть максимально возможного хода мембраны (до 10%). При большом ходе мембраны связь между усилиемN и ходом центра мембраны  - нелинейная.

Для уменьшения  нелинейнейности используют мембраны с жёстким центром: два металлических диска, закрепленных с двух сторон на мембране.

Для всех ЧЭ не рекомендуется многократное применение, т.к. накапливается остаточная  деформация,  что приводит к погрешности измерения. Предел измерения ограничивается половиной давления, соответствующего пределу пропорциональности статической характеристики (для рабочих ЧЭ).