Вагопоршневі манометри

Вагопоршневі манометри – це прилади, в яких тиск або різниця тисків зрівноважується тиском, який утворюється в циліндрі мірними вагами та вагою неущільненого поршня, тобто, поршня, який входить в циліндр з рівномірним по колу і невеликим по величині (< 0, 01мм) зазором. Будучи оточеним витікаючою через цей зазор рідиною (мастилом) і зовсім не доторкуючись до внутрішньої поверхні циліндру, поршень знаходиться в рідині у взваженому стані. Такий поршень передає рідині не тільки свою вагу, але й вагу накладених на нього гирь. Таким чином утворюють тиск рідини в ціліндрі до тисяч атмосфер, який використовується в якості міри тиску для повірки інших манометрів, наприклад, деформаційних або електричних манометрів. При цьому зберігається гідростатичний принцип дії приладу. Рівномірність заповненого рідиною кільцевого зазору, що оточує поршень, досягається повільним (30об/хв.) повертанням

поршня навколо своєї осі. Так як рідина має певну в’язкість, то при обертанні утворюється зусилля, яке відштовхує поршень від стінок циліндру (віджимаючий ефект).

Відповідно із стандартом випускаються манометри вагопоршневі 1-го розряду з межою допустимої основної похибки 0, 02% від вимірюваного тиску, якщо він лежить в межах від 10 до 100% верхньої межі вимірювання. Відповідно для другого розряду ця ж похибка дорівнює 0, 05%.

Типи грузопоршневих манометрів: наприклад, МП-2, 5 з верхньою межею вимірювання 0, 25МПА (2, 5 кгс/см²); МП-60 з діапазоном вимірювання від 0, 1 до 6 мПа (від 1 до 60 кгс/см²). Їхні класи точності відповідно 0, 02 та 0, 05.

Використовуються в якості лабораторних приладів для повірки робочих манометрів.

9.5. ДЕФОРМАЦІЙНІ МАНОМЕТРИ (ДМ)

Принцип дії ДМ грунтується на використанні пругкої деформації чутливих елементів або сили, яку вони розвивають під дією вимірюваного тиску. Вони перетворюють тиск у пропорційне переміщення або зусилля. Тобто у ДМ вимірюваний тиск зрівноважується механічною напругою в матеріалі чутливого елемента: Рвим= Кпр*х, (5.9)

де Кпр – коефіцієнт жорсткості пружного чутливого елемента, Н/м;

х – деформація чутливого елемента, м.

Деформаційні манометри відрізняються простотою та надійністю конструкції, невеликими габаритами, досить високою точністю, широким діапазоном вимірювання. Завдяки цим якостям деформаційні манометри широко застосовуються в різних галузях техніки в діапазоні вимірювань від 50 Па до 1000 МПа.

В якості чутливих елементів ДМ, які використовуються для вимірювання надлишкового тиску, розрідження та перепаду тиску, використовують: одновиткову трубчасту пружину (рис. 5.3а), сильфон (рис. 5.3б), одну мембранну коробку (рис. 5.3в) та дві (рис. 5.4, г) в диференціальному ДМ, гелікоїдальну трубчасту пружину (рис. 5.3г), в’ялу мембрану (рис. 5.3д), жорстку мембрану (рис. 5.3е).

Рис. 5.3. Чутливі елементи деформаційних манометрів.

Рис. 5.4. Кінематична схема Рис. 5.4, б. Загальний вигляд Рис. 5.4, г. Диф-

трубчастого манометра трубчастого манометра манометр

Чутливий елемент пругко деформується під впливом різниці між внутрішнім і зовнішнім тиском. Величина цієї деформації є мірою різниці згаданих тисків. При відсутності вимірюваного тиску Р чутливий елемент повертається у вихідне положення під дією пругкої деформації. Дефомація чутливого пругкого елемента в таких приладах обмежена або долями мм, або декількома мм. Тому в корпусі таких приладів, які відповідають тим чи іншим специфічним вимогам, крім основної частини (пругкого чутливого елементу), знаходиться також передавальний механізм, який застосовують для збільшення деформації пругкого чутливого елемента в необхідну кількість разів для переміщеня показника по шкалі приладу.

С порощена схема манометра з трубчастою одновитковою пружиною приведена на рис. 5.3, а, а на рисунках 5.4 та 5.4, б приведені його відповідно кінематична схема та загальний вигляд з окремими складовими. В цьому манометрі, що отримав найбільше розповсюдження, чутливим элементом є трубчаста пружина 2, являє собою порожнисту трубку овального або еліптичного перетинів, що зігнута по дузі кола на кут (рис. 5.4) в межах 180–270°. На вказаних рисунках мала вісь эліпса або овалу трубки розташована параллельно, а велика – перпендикулярно площині креслення. На рис. 5.4.а та в показані велика та малі напівосі еліпсу та овалу, відповідно розмірами а та b.

Один кінець трубки 2 (розглядаємо рис. 5.4, б) закріплюють нерухомо на цоколі 1, який в свою чергу закріплений гвинтами в круглому корпусі 3 манометра. Через штуцер цоколя в трубку 2 подається вимірюємий тиск. Другий вільний кінець трубки є герметично запаяним і зв’язаний повідком 6 з передавальним механізмом 7, який в свою чергу складається із зубчастого сектора 4 (далі рис.5.4) та шестерні 5, на вісь якої закріплена стрелка 6.

Під дією тиску середовища, що надходить у внутрішню порожнину трубчастої пружини 2 (рис. 5.4, б), остання дещо розкручується, її вільний кінець переміщується і тягне за собою повідок 6, який через передавальний механізм 7 викликає переміщенння стрілки 4 по шкалі приладу. Розкручування трубчастої пружини, що зігнута по дузі кола, обумовлено тим, що при подачі тиску її элліптичний (овальний) перетин намагається перейти в круглий. При цьому мала вісь эліпса, що розташована в площині крелення, збільшується, і поверхня пружини, що ближча до центру кола деформації і знаходилась на радіусі r2, переходят на меньший радиус r2’, а зовнішя поверхня, що знаходилась на радіусі r1, переходить на більший радіус r1’. Так як довжина трубчастої пружини 2 залишається незмінною, а один кінец її жорстко закріплений в цоколі 1, то в пружині виникаю внутрішня напруженність, яка приводить до її розкручування і перемещенню вільного кінця. Останній (точка на рис. 5.4) переміщується на відстань пропорційно зміні вимірюваного тиску і, як наслідок, переміщується стрілка приладу. Манометр має равномірну шкалу в межах пругкої деформації пружини.

Величина зміни кута розкручування пружини дорівнює: = , де та - відповідно мала напіввісь еліпса та зміна її довжини під дією тиску.

Механічні властивості матеріалу пружини ДМ залежать від її хімічного

складу, характеру механічної та термічної обробки при виготовленні і температури, при якій вона повинна працювати, а також залежать від домішок і обробки. Трубчасті пружини ДМ виготовляють із латуні, томпака, із бронзи (сплав міді з цинком, свинцем або оловом), берилієвої бронзи, сталі різних складів, або в останній час із сплавів нікелю.

В трубчастих пружинах є така особливість, що якщо підняти в них тиск до межі пропорційності, то після досягнення цього значення при незміному тиску деформація пружини повільно зростає, наближаючись асимптотично до кінцевого межового значення. Таке поступове з часом збільшення деформації називається пругкою післядією. Величина пругкої післядії тим більша, чим ближче тиск підходить до межі пропорційності для даної трубки. Держстандарт забов’язує, щоб робоча межа надлишкового тиску не була більшою ¾ верхньої межі вимірювання манометру при постійному тиску, та 2/3 верхньої межі - при змінному тиску. Для контрольних манометрів верхня межа назначається не більше третини межі пропорційності, а у зразкоцих – не більше ¼. Похибки ДМ складають від ±0, 16% до ±4% від верхньої межі вимірювання.

Манометри з гелікоїдальною пружиною (рис. 5.3, б) більш чутливі і мають

межі вимірювання від 0 до 160 мПа, клас 1, 0; 1, 5. Але є великогабаритними приладами. Практика показала, що для високих тисків навіть абсолютна пряма товстостінна трубка з ексцентричним повздовжним отвором, який не доходить до кінця, під дією тиску речовини, що подається в її середину, теж деформується. Такі негнуті трубчаті пружини використовуються як чутливі елементи в приладах для вимірювання тиску від 1000 до 10000 кгс/см² (100 до 1000 МПа) і їхній клас точності не перевищує 1, 0.

На тиски більше 100 МПа іноді до звичайної зігнутої товстостінної труби приварюють з внутрішньої сторони металеву стрічку, яка еквівалентна ексцентричності отвору.

Ще одна різновидність трубчастої пружини – сплющена тонкостінна пряма трубка, в якої великі полувісі повернуті і утворюють гвинтову поверхню. Ще кращі результати отримують при використанні зірочного перерізу (рис.5.4.д).

Рис. 5.4, д. Трубчаста пружина чотирьох-променевого(зірочного) перерізу.

Такий переріз можна собі уявити як два овальних перерізи, розташованих під кутом 90⁰ одне до одного. Кут повернення вільного кінця може сягати 40-60⁰. В цьому випадку не має необхідністі в передавальному механізмі, так як стрілка приладу може бути закріплена безпосередньо на вільному кінці пружини.

Промисловість випускає трубчасті манометри з одновитковою пружиною:

- показувальні типи ОБМ, МТ, МТП;

- показувальні та самописні типу МТС, зразкові – МО;

- з диференційно-трансформуючим перетворювачем типу МЄД;

- з електро-силовим перетворювачем типу МП-Є;

- з пневмосиловим перетворювачем типу МП-П.