Мембранные приборы

Приборы с чувствительным элементом в виде гофрированных мембран, мембранных коробок и мембранных блоков применяются для измерения небольших избыточных давлений и разрежений (манометры, напоромеры и тягомеры), а также перепадов давления (дифманометры-расходомеры).

Величина прогиба мембраны является функцией давления, действующего на нее. Зависимость прогиба от давления в общем случае нелинейна.

Число, форма и размеры гофра различны в зависимости от назначения, предела измерения и других факторов. Гофрировка мембраны увеличивает ее жесткость, т.е. уменьшает прогиб при одинаковом давлении.

Величина прогиба мембраны является сложной функцией давления, ее геометрических параметров (диаметра, толщины, числа гофров, их формы), а также модуля упругости материала мембраны.

Ввиду сложности расчета в большинстве случаев характеристика мембраны подбирается опытным путем.

Для увеличения прогиба в приборах для малых давлений (разрежение) мембраны попарно соединяют (сваркой или пайкой) в мембранные коробки, а коробки - в мембранные блоки. Мембранные коробки могут быть анероидными и манометрическими. Анероидные коробки, применяющиеся в барометрах и барографах, герметизированы и заполнены воздухом или каким-либо газом при очень малом давлении, обычно около 1,33 Па (0,01 мм рт. ст.). Деформация анероидной коробки происходит под действием разности давления окружающей ее среды и давления в полости коробки.

Так как давление в полости коробки очень мало, то можно считать, что ее деформация определяется атмосферным давлением. Деформация анероидной или манометрической коробки равна сумме деформаций составляющих ее мембран.

Для измерения небольших давлений и разрежений до 15680 Па (1600 мм вод. ст.) применяют мембранные тяго- и напоромеры. В этих приборах упругим элементом является коробка из двух гофрированных мембран. Внутренняя полость коробки соединяется с полостью, в которой измеряется давление или разрежение.

Выпускаются несколько типов мембранных тяго- и напоромеров: с концентрической шкалой, с горизонтально-профильной шкалой и с вертикально-профильной шкалой. Каждый из этих типов изготовляется в трех модификациях: напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры с нулем посредине шкалы для измерения давлений и разрежений. Все эти виды приборов имеют принципиально одинаковые устройства и отличаются один от другого лишь элементами передаточного механизма и формой корпуса. На рисунке 22 показано устройство тягомера с горизонтально-профильной шкалой.

Трубка 14 соединяет полость мембранной коробки 1 с полостью, в которой измеряется давление. При повышении давления в коробке центр верхней мембраны перемещается вверх; через систему рычагов и тяг это движение передается на вертикальную ось 6, укрепленную в опоре 7. На вертикальной оси закреплена стрелка 8. Перемещение центра мембранной коробки не пропорционально давлению. Для линеаризации характеристики коробки применяется устройство, состоящее из плоской пружины 9, нагружающей мембранную коробку, и кронштейна 10 с установочными винтами 11.

При изгибе пружина 9 опирается на установочные винты 11, вследствие чего изменяется ее рабочая длина, а следовательно, и жесткость. Регулируя при градуировке прибора положение установочных винтов, можно добиться линейной характеристики упругой системы, т.е. равномерности шкалы прибора.

мембранный тягомер с профильной шкалой

Рисунок 22 - мембранный тягомер с профильной шкалой:

1 - мембранная коробка; 2 и 4 - тяги; 3, 5 и 13 - рычаги; 6 - ось; 7-опора; 8-стрелка; 9 - плоская пружина; 10 - кронштейн; 11 - установочные винты; 12 - винт; 14 - трубка; 15 - пружина

Стрелка на ноль устанавливается при помощи винта 12. Вращая винт 12 в ту или другую сторону, поднимают или опускают рычаг 13, прижимаемый к коническому концу винта пружиной 15. Рычаг 13 перемещает передаточный рычажный механизм прибора, передвигая стрелку прибора вправо или влево до совмещения ее с нулем шкалы.

Основная допустимая погрешность прибора ±2% от верхнего предела шкалы.

На рисунке 23 показана принципиальная схема бесшкального дифманометра-расходомера с двумя металлическими мембранными коробками и с системой электрической дифференциально-трансформаторной передачи показаний на расстояние. Чувствительный элемент прибора состоит из разделительной перегородки 1, в которую ввернуты гофрированные металлические (из нержавеющей стали) мембранные коробки 2 и 3. Коробки составлены из мембран с совпадающими профилями гофрировки. Внутренние полости коробок сообщаются между собой каналом и заполнены дистиллированной водой.

С центром верхней мембранной коробки связан железный сердечник, помещенный в катушках. Сердечник перемещается внутри разделительной трубки, выполненной из немагнитной стали.

Под действием разности давлений в камерах нижняя мембранная коробка сжимается; жидкость из нее через отверстие в перегородке перетекает в верхнюю мембранную коробку, вызывая перемещение верхнего центра и связанного с ним железного сердечника индукционного датчика. Сердечник перемещается до тех пор, пока сила, вызванная перепадом давлений, не уравновесится силами упругой деформации мембранных коробок.

При изменении температуры окружающей среды вода в мембранных коробках соответственно будет перемещать мембраны, а вместе с ними и сердечник.

схема безшкального дифманометра-расходомера с двумя мембранными коробками

Рисунок 23 - схема безшкального дифманометра-расходомера с двумя мембранными коробками: 1 - разделительная перегородка; 2 и 3 - мембранные коробки; 4 - сердечник 5 - катушки; 6 - разделительная трубка

Для уменьшения влияния колебаний температуры окружающей среды на показания прибора верхняя мембранная коробка выполняется с большей жесткостью, чем нижняя. Это приводит к тому, что при изменении температуры окружающей среды изменяется в основном объем нижней мембранной коробки.

Если перепад давления превысит расчетную величину или одна из мембранных коробок подвергнется одностороннему давлению, то повреждения мембранной коробки не произойдет, так как коробка, находящаяся в зоне более высокого давления, сожмется до соприкосновения мембран и вытеснит из своей полости всю воду в другую мембранную коробку.

Дифманометр-расходомер работает в комплекте со вторичным электронным дифференциально-трансформаторным прибором.

Дифманометры рассчитаны на два предела статического давления: до 6,27 МПа (64 кг/см2) и до 24,5 МПа (250 кг/см2), перепады давления от 5,3 до 133,3 кПа (40-1000 мм рт. ст.)

Различные пределы измерения достигаются применением мембранных блоков различной жесткости. Основная допустимая погрешность показаний прибора в комплекте со вторичным прибором +-2% от верхнего предела шкалы.

На рисунке 24 показана схема мембранного компенсационного дифманометра. Вялая мембрана 2 с жестким центром, несущая сердечник 1 дифференциально-трансформаторного датчика, подвешена на уравновешивающей пружине 3 к рычагу 4, проходящему через сильфонное уплотнение.

Возникающее вследствие перемещения сердечника напряжение разбаланса поступает на вход электронного усилителя 9. Реверсивный двигатель 7, управляемый электронным усилителем, поворачивает лекало 5 и через рычаг 4 воздействует на уравновешивающую пружину.

Система придет в равновесие, когда усилие, развиваемое мембраной, уравновесится силой пружины и сердечник возвратится в исходное среднее положение. При этом оси лекала и стрелки местной шкалы 6 прибора поворачиваются на угол, пропорциональный перепаду давления. С осью лекала кинематически связаны оси рамок 8 ферродинамических датчиков (от одного до трех), предназначенных для дистанционной передачи показаний.

схема мембранного компенсационного дифманометра

Рисунок 24 - схема мембранного компенсационного дифманометра:

1 - сердечник; 2 - вялая мембрана; 3 - пружина; 4 - рычаг;

5 - лекало; б - Шкала; 7 - реверсивный двигатель; 8 - рамка

ферродинамического датчика; 9 - электронный усилитель

Приборы имеют различные пределы измерения разности давлений, от 6,18 до 21,3 кПа (63-160 мм рт. ст.). Максимальное допустимое рабочее давление 1,56 МПа (16 кг/см2). Основная допустимая погрешность дифманометра в комплекте с вторичным прибором ±1,5% от максимального предела шкалы.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   Скачать   След >