Измерение и контроль давления сред высоких и низких температур может осуществляться с помощью разделителей.
При работе с высокими температурами основными ограничивающими параметрами в работе разделителей являются температуры фазовой устойчивости жидких наполнителей. Исходя из известных наполнителей это от минус 90 до +400оС. Соответственно наполнитель и металл мембраны работоспособны при таких температурах. Как следует из раздела 2.5, только некоторые модели манометров обеспечивают надежность работы при температурах выше 60 оС. Кроме того, проводимые измерения при высоких температурах должны учитывать температурные коэффициенты, которые могут приводить к существенным искажениям отслеживаемого параметра. Поэтому для эксплуатации большинства приборов необходимы специальные решения, обеспечивающие нахождение измерительных приборов в нормальных условиях, даже при высокой температуре измеряемой среды.
Для эксплуатации манометров при очень высоких температурах между разделителем и прибором рекомендуется устанавливать отводы-охладители, модели которых представлены в разделе 5.4, где также указаны параметры их работы. Очень хорошие характеристики из-за наличия сильфонного затвора имеет малый петлевой отводохладитель ОХ4. Линейный отвод-охладитель ОК100, представляющий собой капиллярную линию, которая в данной конструкции соединяет выход разделителя и вход манометра, называемая зачастую удлинительной линией, благодаря существенной длине (как правило 1…10м) и малому внутреннему диаметру (1…4мм) также обеспечивает существенное снижение температуры, а также позволяет размещать измерительный прибор в удобном для считывания месте. При этом обязательным является отслеживание уровня размещения измерительного прибора относительно разделителя среды. При существенном значении такой разницы актуально внесение поправки на гидростатическое влияние неучтенного столба жидкости.
При использовании системы разделитель –удлинительная линия - измерительный прибор применение в качестве наполнителя жидкости с высокой вязкостью может приводить к инерционности проводимых измерений (в отдельных случаях до 8…10 минут). Также из-за возможного существенного объема наполнителя в соединительной линии необходимо профессионально согласовывать параметры этой линии и разделителя с целью уменьшения возможных погрешностей, что более детально рассмотрено ниже. Все разделители имеют узлы заполнения, исключая те конструкции, в которых заполнение производится без вакууммирования. Возможен перенос узла заполнения на держатель прибора, но это прерогатива производителя, предполагающего работу этих разделителей с конкретной моделью прибора. Узел заполнения, как правило, состоит из резьбового отверстия в корпусе разделителя и винта, герметизирующего это отверстие после заполнения конструкции. Возможно исполнения отверстия ступенчатого: резьбового – для вворачивания винта и выходного меньшего диаметра. В этом модели винт может иметь конусное окончание и уплотняться по кромке перехода диаметров. Здесь должна соблюдаться соосность отверстия и вворачиваемого винта.
В более совершенных моделях запирание выходного отверстия узла заполнения осуществляется металлическим шариком малого диаметра, прижимное усилие на который передается от запорного винта.
Система разделитель - измерительный прибор (возможно + соединительная линия) обладает специфическими факторами, влияющими на точность проводимых измерений. Такие факторы можно подразделить на группы механических и температурных.
Группа механических факторов, обуславливающих погрешность измерительной системы с разделителем, включает погрешность непосредственно измерительного прибора, где имеют место упругие характеристики ЧЭ и погрешность от работы передаточного механизма и упругие характеристики разделительного элемента (мембраны, сильфона).
Группу температурных погрешностей возглавляют влияния на точность измерения температурные расширения наполнителя. Чем выше коэффициент температурного расширения наполнителя, тем существеннее влияние температуры на точность работы комплекта разделитель измерительный прибор.
Для уменьшения влияния на результат измерения температуры измеряемой среды из-за нагрева жидкости в соединительных линиях и в приборе непосредственно на выходе разделителя рекомендуется устанавливать охладитель. В условиях существенных изменений температуры окружающего воздуха может применяться теплоизоляция соединительных линий.
Снижение влияния работы механизма на показания работы прибора, что рассматривалось в разделе 2.3, можно достигнуть увеличением тягового усилия ЧЭ, чем также обеспечивается улучшение его метрологических характеристик.
Основной составляющей погрешности здесь является влияние жесткости разделительного элемента при передаче давления через наполнитель на ЧЭ.
Разделительная мембрана должна приниматься минимальной толщины, так как она должна выдерживать только перепад давления, возникающий между объемом измеряемой среды и внутренней полостью измерителя, а не нагрузки избыточного давления. Если исходить из того, что это пространство заполняется несжимаемой жидкостью, то нагрузка на разделительную мембрану, как таковая, отсутствует. Этим объясняется достаточно успешное применение в качестве разделителей мембран из тонкой резины, сильфонов, выполненных из фторопласта и др.
Рабочая жидкость, а также разделительная мембрана, ее профиль, рабочие характеристики выбираются такими, чтобы влияние разделителя на результат измерения было минимальным. При этом важным фактором остается герметичность внутреннего объема, образовываемого мембранным разделителем и манометрическим прибором. При нарушении герметичности внутреннего объема, а также остаток воздуха в этот объеме при его заполнении могут приводить к существенным погрешностям измерений, во многих случаях к необратимой деформации мембраны или сильфона, их разрыву – нарушению герметичности рабочей поверхности. Это очевидно исходя из определяющих позиций: для уменьшения влияния разделительного элемента на результат измерения толщина такого элемента принимается 0,1 мм и меньше, что даже в грубом приближении не может быть стенкой сосуда с давлением, например, в несколько атмосфер.
Металлическая мембрана для разделителей при стремлении изготовления ее минимальной толщины требует, тем не менее, соблюдения определенной геометрии для обеспечения равномерности ее перемещения при прогибе с минимальной жесткостью.
Прогиб мембраны имеет определенные пределы, определяющие объем вытесняемой жидкости и, соответственно, один из важнейших параметров разделителя для согласования его работы с измерительным прибором. Прогиб и жесткость мембраны однозначно связаны с ее диаметром. Чем больше диаметр, тем значительнее прогиб и меньше жесткость. Этим обусловлена необходимость применение для измерения малых давлений мембран большого диаметра.
Для применения разделителей в работе с напоромерами, тягомерами, тягонапоромерами необходимо понимать, что эти приборы должны настраиваться и поверяться на той же среде, которая имеет место и в условиях их эксплуатации. По крайне мере, плотность этих жидкостей не должна существенно различаться, т.к. тарировка этих приборов на газе и последующее применение на жидких средах, или наоборот, может существенно увеличивать погрешность измерения.
Необходимо также учитывать, что давление гидравлического столба жидкости, которой заполняется разделитель, подводящие штуцеры этого разделителя и измерительного прибора может быть по величине сопоставимо, а в некоторых случаях превышать рабочий диапазон измеряемого параметра.
При монтаже разделителей сваркой в целях исключения температурного перерасширения рабочей жидкости, которое может привести к необратимым деформациям мембраны и чувствительного элемента измерителя заполнение разделителя производится после окончания установки.
Применение разделителей, как отдельных устройств и последующая комплектация измерительным прибором предполагают высокие требования к обеспечению герметичности соединения этих двух узлов. Не допускается использования уплотняющих прокладок, монтируемых между разделителем и приборов, из мягкого способного к термоусадке материала. Также актуально применение материала для изготовления прокладок, сохраняющего свои технические характеристики с течением времени.
Зачастую применение прокладок из относительно мягкого материала приводит к нарушению герметичности внутренней полости измерительного прибора и разделителя и в большинстве случаев является причиной необратимой деформации разделительного элемента (мембраны, сильфона) и выходу из строя вспомогательного устройства. Поэтому к системе и технологии заполнения внутреннего объема рабочей жидкостью предъявляют повышенные требования.
Существует несколько способов заполнения внутреннего объема.
В соответствии с одним из них разделитель так же, как и измерительный прибор, промывают растворителем и просушивают. После этого с помощью устройства заполнения внутренней полости упругого чувствительного элемента эталонного манометра, описанной в гл. 4 (рис.4.13), вакуум-насосом из внутреннего объема разделителя откачивают воздух и затем заполняют его рабочей жидкостью. Для исключения воздушных вкраплений во внутреннем объеме разделителя операцию вакууммирования и заполнения рабочей жидкостью повторяют несколько раз до полного исчезновения пузырьков воздуха, поступающих в разделительный сосуд. По этой же схеме заполняют внутреннюю полость измерительного прибора. На следующем этапе заполненный рабочей жидкостью разделитель присоединяют к измерителю с уже заполненной внутренней полостью. Такой метод достаточно сложен и не исключает появление во внутреннем рабочем объеме пузырьков воздуха в процессе монтажных работ.
Другой способ заключается в следующем. Обезжиренные и просушенные разделитель и измерительный прибор герметично соединяют друг с другом, и через специальный канал проводят вакууммирование и заполнение их внутренних объемов рабочей жидкостью.
Наиболее совершенной является система заполнения мембранных разделителей с помощью двойного вакууммирования (вакууммируется внутренняя полость разделителя; внешняя сторона мембраны также находится в разреженной среде).
Заполнение разделителя лучше производить в изотермических условиях при температуре приблизительно 40 оС.
С целью обеспечения представительности измерений не рекомендуется заполнять разделители и манометрические приборы самостоятельно. Лучшим вариантом является поставка производителем измерительного прибора в комплекте с разделителем. В этом случае, настройка прибора производится с присоединенным заполненным разделителем и влияние разделительного элемента на точность показаний учтена при регулировке. Соответственно, для поверки манометрического прибора запрещается отделять его от разделителя, а поверку осуществлять в едином блоке с разделителем. В противном случае может оказаться при поверке, что манометрический прибор не входит в класс точности, а после его дополнительной настройки измерительный комплекс манометрический прибор-разделитель не обеспечивают заявленной точности измерений.
б) Наполнители
При выборе жидкости-наполнителя необходимо руководствоваться физическими свойствами рабочего вещества, которые фоормируют следующие основные требования, предъявляемые к ним:
Температура вскипания наполнителя определяет верхний температурный предел применимости разделителя. При этом возможно повышение температуры кипения наполнителя путем повышения его рабочего давления, что ограничивается механической прочностью разделительного элемента (мембраны или сильфона) и смещением начальной точки измерительного прибора. Вскипание наполнителя приводит к существенному изменению его удельного объема и, соответственно, искажению результатов измерений.
Кристаллизация или иная форма фазового изменения, также как появление осадка, отдельных сгустков не позволяют обеспечить нормальное функционирование устройства и может привести к его дефектации.
Минимальный температурный коэффициент объемного расширения и низкий коэффициент сжимаемости обеспечивают высокую точность проводимых измерений.
Отечественные производители внутренний объем разделителя и внутреннюю полость измерителя для снижения эффекта сжимаемости заполняют рабочей жидкостью, в качестве которой используют составы ПЭС-2, ПМС-50, ПМС-6 с низкими коэффициентами сжимаемости.
Зарубежные, а также некоторые отечественные производители для заполнения мембранных разделителей применяют в зависимости от конструкции и условий эксплуатации различные смеси, масла и другие жидкости, указанные в табл. 5.2. Масла и смеси в большинстве случаев содержат различные химические добавки, обеспечивающие температурную стабильность в широком диапазоне параметров, а также устойчивые показатели не сжимаемости.
При выборе рабочей жидкости необходимо руководствоваться свойствами измеряемой среды. Так, при измерении вакуума не рекомендуется применять в качестве наполнителя водные растворы этиленгликоля и глицерина. Кроме этого, глицерин, как и его смеси, а также силиконовые масла взрывоопасны при контакте с хлором.
Химическая совместимость наполнителя и измеряемой среды обусловлена рядом фактором, некоторые из которых приведены ниже.
Для работы с сильными окислителями (азотная кислота, кислород, перекись водорода, хлор и др.) недопустимо использовать в качестве наполнителя жидкости на основе углеводородов (различные масла, керосин, дизельное топливо и др.) – только нейтральные среды (вода, галокарбоновые растворы и т.п.). Глицериновые и силиконовые масла взрывоопасны при контакте с хлором. Водные растворы этиленгликоля и глицерина не рекомендуется для работы с вакуумом.
Жидкость ПМС, масла, нефтепродукты взрывоопасны при контакте с кислородом, перекисью водорода, хлором и некоторыми другими химическими соединениями. При работе с ними рекомендуется разделители наполнять водой или галокарбоном, который, в свою очередь, активен по отношению к магнию.
Таблица 5.2
Основные разновидности масел и смесей, используемых в импортных разделителях
|
Тип масла |
Температурный диапазон, оС |
|
Вода дистиллированная |
от +5 до +90 |
|
Этиленгликоль |
от -20 до +140 |
|
Масло трансформаторное |
от –30 до +100 |
|
Гидравлическая жидкость АМГ-10 |
от –60 до +100 |
|
Силиконовые масла с добавками |
от –20 до +200 |
|
|
от –90 до +100 |
|
Жидкость ПМС |
от –60 до +180 |
|
Глицерин |
от -17 до +230 |
|
Смесь глицерин–вода |
от –10 до +120 |
|
Масло растительных культур |
от –10 до +250 |
|
Специальные высокотемпературные масла |
от –10 до +300 от –10 до +400 |
|
Галокарбон |
от –40 до +175 |
Производятся также разделители с мембраной, установленной заподлицо с внутренней стенкой трубопровода, с резьбовыми торцами. Крепление такого разделителя к трубопроводу осуществляется с помощью резьбовых муфт. Разделители, используемые в пищевых производствах, заполняются маслом растительных культур или другой совместимой с пищей жидкостью. Некоторые производители (чему автор был свидетелем) заполняют разделитель обычным подсолнечным маслом. Рабочий диапазон таких разделителей ниже (от 0,1 до 4 МПа).
Материалы корпусных деталей и мембран принимаются в зависимости от агрессивных и температурных свойств измеряемой среды.
Мембраны для разделителей изготавливаются отечественными производителями из нержавеющей стали типа 36НХТЮ или 42НХТЮ, бериллиевой бронзы. Могут также применяться: тантал, хастеллой различных марок, в том числе В2, С4, С276, монел 400, никель, инконел 600, инколой, витон (FPM), платина, цирконий, а также, кроме основного – коррозионно-стойкой стали 10Х18Н9Т или 1.4571, титан. В некоторых случаях для защиты мембран применяются специальные покрытия, выполненные из таких материалов, как PFA (до 200…260 С), ECTFE и фторопласт Ф-4 (PTFE) (до 150 С), серебро (до 150 С ), золото (до 200 С).
При выборе материала мембраны необходимо руководствоваться возможностью ее сварки с корпусом разделителя. Это актуально для открытых мембранных разделителей, разделителей малогабаритных, для пищевой промышленности. При невозможности сварки, что, например, имеет место при установке мембраны из витона, а корпуса из нержавеющей стали используется конструкция разделителя с закрытой мембраной, когда мембрана устанавливается между двумя фланцами и фиксируется болтовыми соединениями.
Для изготовления корпусов разделителей применяются материалы, приведенные в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Материалы, рекомендуемые для изготовления корпусов разделителей в зависимости о т агрессивности рабочей среды
|
Материал корпуса |
Рабочая среда |
|
Полипропилен |
Кислоты: уксусная, фосфорная, серная. Ацетон, спирты, щелочи, формальдегиды (до 38 % концентрации) и т. п. Рабочая температура до – 80 оС; давление – не более 4 МПа |
|
Полиамид (нейлон) |
Ацетон, спирты, нефтепродукты, щелочи натрия и кальция, различные моющие средства, щелоки, карбамид и т. п. Рабочая температура – до 150 оС; давление – не более 10 МПа |
|
Фторопласт Ф-2М Футерованная фторопластом нержавеющая сталь |
Различные агрессивные жидкости, кроме каусти ка, уксусной кислоты, аммиака, ацетона, кето нов. Рабочая температура – до 80 оС; давление – не более 2,5 (для стали – до 200) МПа |
|
Сталь нержавеющая типа Х18Н9Т |
Различные слабоагрессивные жидкости, а также некоторые среднеагрессивные малых концент раций. Рабочая температура и давление – весь диапазон промышленных энергетических параметров |
|
Молибденовая сталь |
Кислоты: лимонная (концентрация не более 50 |
|
|
%), муравьиная (концентрация не более 10 %), уксусная, щавелевая, фосфорная (концентрация не более 40 %), серная (концентрация не более 25 %), хромовая. Формальдегид, фреоны |
|
Хромо-никелевая сталь |
Серная кислота любых концентраций с темпера турой до 80 оС, фосфорная кислота, морская вода и т. п. |
|
Титан |
Кислоты: уксусная, щавелевая. Хлор газообразный влажный, хлориды, морская вода |
|
Хастеллой |
Практически весь ряд самых агрессивных сред Кислоты: соляная любых концентраций, плавико вая, фосфорная, галогены и т. п. |
Системы с мембранами менее чувствительны к пульсирующим нагрузкам, т. е. мембраны с объемом рабочей жидкости, находящейся над ней, и объемом жидкости, заполняемой внутреннюю полость измерительного прибора, образуют дополнительную демпферную систему с параметрами демпфирования, определяемыми входным отверстием держателя манометра (см. раздел 2.3.1).
