В механических манометрических приборах, предназначенных для измерения малых значений давления, в большинстве случаев используют мембраны, мембранные коробки или сильфоны. Некоторые конструкции манометрических приборов предусматривают применение мембран и мембранных коробок для измерения и контроля средних давлений (до 4 МПа). Соответственно, такие приборы могут называться мембранными или сильфонными манометрами.
Согласно /2-22/ мембранный манометр – это деформационный манометр, в котором чувствительным элементом является мембрана или мембранная коробка.
Соответственно сильфонный манометр – это также деформационный манометр, но в котором чувствительным элементом является сильфон.
Представляют интерес непосредственно конструкции мембран и мембранных блоков. На рис.2.60 представлена схема (а) и вид (б) гофрированной металлической мембраны на жесткой платформе.
|
|
|
а б
Рис.2.60. Схема (а) и вид (б) мембраны, спаянной на жесткой платформе: 1 – жесткая платформа; 2 – мембрана;
3 – присоединительный штуцер.
На жесткой платформе 1, которая изготавливается, как правило, из металлического листа определенной толщины крепится, в зависимости от сопрягаемых материалов, пайкой или сваркой мембрана 2. В результате, жесткая платформа 1 и мембрана 2 образуют между собой герметичную емкость. Подвод измеряемой среды производится через присоединительный штуцер 3.
Разновидностью конструкции мембраны на жесткой платформе является мембрана, закрепленная между двумя фланцами (рис.2.61а). Мембрана 1 неподвижно фиксируется между фланцами 2 и 3. Воздействие измеряемой среды на одну или на обе стороны, но с разным давлением, приводит к перемещению центра этой мембраны. Конструкции приборов, функционирующих на таких мембранах, приведены ниже.
В некоторых конструкциях измерителей перемещения центра одной мембраны, установленной на жесткой платформе, недостаточно для обеспечения его работоспособности. Здесь могут иметь место два фактора: дальнейшее перемещение центра мембраны не имеет линейной зависимости или дальнейшее перемещение может привести к необратимым пластическим деформациям.
Для конструкций приборов, для которых необходим более значительный ход (перемещение) центра мембраны могут применяться мембранные коробки (Рис.2.61б) или блоки мембранных коробок (рис.2.61в), у которых прямолинейный участок перемещения центра крайней мембраны в зависимости от измеряемого давления пропорционален количеству мембран в устройстве.
Рис.2.61. Схема плоской мембраны, закрепленной между фланцами(а), мембранной коробки (б) и блока мембранных коробок (в): 1 – мембрана; 2,3 – фланцы; 4 – мембрана;
5 – присоединительный штуцер; 6 – соединитель.
Мембранные коробки применяются в ряде конструкций промышленных приборов с повышенной точностью. Для эталонных систем применимы блоки мембранных коробок.
Мембраны, функционирующие на малых давлениях, очень чувствительны к перегрузкам и наиболее часто даже после незначительных превышений предельного допустимого давления могут изменять свою геометрию и, соответственно, характеристики. Поэтому разрабатываются различные устройства, предотвращающие необратимую деформацию мембран, наиболее часто ассоциируемую с перегрузками измеряемым давлением.
Необратимая упругая деформация измерительных мембран может быть исключена путем изготовления соответствующих этим мембранам профилированных поверхностей ограничивающих фланцев (рис.2.62) . В таком устройстве нижний (2) и верхний (3) фланцы, которые крепят мембрану, изготавливаются с поверхностью, соответствующей профилю измерительной мембраны.
Рис.2.62. Схема устройства с согласованными поверхностями фланцев: 1 – мембрана; 2 и 3 – нижний и верхний фланцы, соответственно; 4 – присоединительный штуцер.
Зазор между фланцами 2 и 3 обеспечивает перемещение центра мембраны в пределах, задаваемых измеряемым давлением. Таким образом, при превышении предельно допустимого давления мембрана своей профилированной поверхностью опирается на соответствующую поверхность верхнего фланца 3 и не допускает необратимую упругую деформацию измерительного элемента.
Нижний фланец 2 изготавливается с прилегающей поверхностью, соответствующей профилю мембраны, в случаях, когда мембрана может быть подвержена вакуумметрическому давлению, которое по абсолютной величине превышает допустимые пределы.
Известны конструкции мембранных коробок, в которых с целью обеспечения их работоспособности после вышепредельных перегрузок в подводящем штуцере монтируются предохранительные клапаны (рис.2.63).
Рис.2.63. Схема устройства с перекрытием подводимого давления: 1 - мембрана; 2 – подводящий штуцер; 3 – площадка; 4 – шток; 5,6 – упоры; 7,8 – уплотнительные кольца; 9 – проходная перегородка.
В такой конструкции на внутренней поверхности внешней мембраны (1) мембранной коробки, противоположной подводящему штуцеру (2) монтируется площадка (3) для крепления штока (4), на котором крепятся упоры (5 и 6) с уплотнительными кольцами (7 и 8) и располагаемыми по обе стороны проходных перегородок (9) подводящего штуцера (2). При превышении давления выше предельно допустимого происходит перемещение верхней мембраны 1 с закрепленным на нем штоком 4. Соответственно перемещается упор 5 с уплотнительным кольцом 7, обеспечивает перекрытие канала подводимого измеряемого давления.
Мембраны изготовляются из различных бронз, нержавеющих сталей.
Приборы, функционирующие на основе мембран и мембранных коробок, описаны ниже.
В напоромерах, тягомерах, тягонапоромерах НМП-100, ТмМП-100, ТНМП-100 (рис. 2.64) в качестве чувствительного элемента используется мембранная коробка 1, закрепленная на основании 2 каркаса 3. Измеряемое давление ризм подается через подводящий штуцер 4 внутрь мембранной коробки, что вызывает перемещение её не закрепленного жесткого центра, которое передается на тягу 5 и приводит в действие коромысло 6. Длиной тяги также регулируется нулевое показание прибора. От коромысла через плечо 7 перемещение поступает на шибер 8, посредством которого линейное движение преобразуется в угловой сдвиг оси 9, на которой закреплена стрелка 10. Таким способом величина измеряемого давления отслеживается перемещением конца стрелки на шкале прибора 11.
|
 |
 |
а б
Рис. 2.64. Мембранный манометрический прибор типа НМП:
а – вид измерительной части; б – схема; 1 – мембранная коробка; 2 – основание; 3 – каркас; 4 – подводящий штуцер; 5 – тяга; 6 – коромысло; 7- плечо; – шибер; 9 – ось; 10 – стрелка; 11 – шкала; 12 – корпус; 13 – стекло; 14 – стопорное кольцо; 15 – упор
Прибор монтируется в прочном литом из алюминиевого сплава корпусе 12. Каркас крепится в корпусе с помощью подводящего штуцера. Стекло 13 фиксируется стопорным кольцом 14.
Упор 15 предназначен для исключения необратимой деформации мембранной коробки при воздействии давления, выше предельно допустимого.
Обращает на себя внимание тот факт, что смещенно-осевой передаточный механизм, состоящий из тяги, коромысла, плеча и шибера, не совершенен для сегодняшнего уровня технологий с большим запасом люфтов и настроечных винтов. Поэтому класс точности мембранных манометров типа НМП не выше чем 1,5, а угол поворота указательной стрелки – угол размаха шкалы – не превышает 90о.
Разновидностью конструкции напоромера НМП является модель с корпусом прямоугольной формы (72´144мм), в котором (рис. 2.65) угол поворота указательной стрелки менее 90°, но из-за фронтального размещения шкалы ее информативность значительно возрастает. Мембранная коробка 1 закреплена на основании 2. Центр верхней образующей мембранной коробки и коромысло 3 связаны тягой 4. Плечо коромысла соединено тягой 5 с плечом 6 оси 7, которая также служит осью вращения стрелки 8. Для обеспечения устойчивости стрелки она оснащена противовесом 9. Отсчет показаний прибора производится по шкале 10.
Рис. 2.65. Мембранный напоромер типа НМП в корпусе
прямоугольной формы:
1 – мембранная коробка; 2 – основание; 3 – коромысло; 4, 5 – тяга;
6 – плечо; 7 – ось; 8 – стрелка; 9 – противовес; 10 – шкала; 11 – подводящая линия
Измеряемая среда давлением ризм через подводящую линию 11 поступает во внутреннюю полость мембранной коробки. Под его воздействием перемещается центр коробки и через систему рычагов и тяг 4, 3, 5 и 6 это перемещение преобразуется в поворот оси, на которой установлена стрелка.
В большинстве случаев нелинейность статических характеристик мембранных коробок не превышает 10-15 % и устраняется изменением длин тяг, а также углов их зацеплений.
В настоящее время заслужили более активное использование мембранные манометрические приборы с компактным центрально-осевым передаточным механизмом (рис. 2.66), производимые в корпусах малых (63 мм), средних и больших диаметров (100 и 160 мм соответственно).
|
|
б) |
|
в) |
г) |
|
д) |
|
|
е) |
Рис. 2.66. Схема (а) и виды общетехнических показывающих манометрических приборов на основе мембраны с компактным центрально-секторным механизмом: б – тягонапоромер ТНП63; в - напоромер НП100; г –тягомер ТП100; д – манометр МП100; е - напоромер торцевой НП63; 1 – мембрана; 2 – площадка; 3 – передаточный механизм; 4 – держатель; 5 – стрелка
Мембрана 1 герметично припаяна к площадке 2, с которой образует рабочую полость чувствительного элемента (рис.2.66). Центр мембраны имеет снаружи полированную площадку, с которой соприкасается шаровая опора передаточного механизма 3, представляющего собой компактное устройство с миниатюрным рычажно-секторным механизмом, более детальная схема которого представлена на рис. 2.67.
а) б)
Рис. 2.67. Схема (а) и вид (б) центрально-осевого передаточного механизма: 1 – основание; 2 – поворотная ось; 3 – шаровая опора; 4 – упор;5 – зубчатый сектор; 6 – трибка; 7 – спиральная пружина; 8 – плата верхняя; 9 – стойка
На основании 1 подвижно установлена поворотная ось 2 с закрепленной на ней шаровой опорой 3. На оси 2 также смонтирован упор 4, образующий с шаровой опорой 3 угловой рычаг. Таким образом, линейное перемещение шаровой опоры 3 преобразуется в перемещение конца упора 4, воздействующего на зубчатый сектор 5, который, в свою очередь, через зубчатое зацепление с трибкой 6 придает ей угловое перемещение. Соответственно, устанавливаемая на трибке 6 стрелка может отображать на шкале измеряемое давление.
Современные технологии механообработки позволяют изготавливать такие центрально-осевые механизмы с высокой точностью, что обеспечивает их работоспособность при измерении давлений с высокой точностью (до 0,25%).
Таким образом, показывающий манометрический прибор на основе мембраны с компактным трибко-секторным механизмом функционирует следующим образом. Измеряемое давление (рис.2.66а) через подводящий штуцер держателя 4 поступает в рабочую полость чувствительного элемента, перемещая центр мембраны 1. Этот сдвиг передается через шаровую опору центрально-осевому передаточному механизму и, соответственно, показывающей стрелке.
Центрально-осевой трибко-секторный передаточный механизм (рис. 2.67) используется в ряде типов мембранных манометрических приборов. На основании 1 (рис. 2.67а) установлена поворотная ось 2 с закрепленными на ней под углом примерно 90° шаровой опорой 3 и упором 4. Конец упора соприкасается с нижней частью зубчатого сектора 5, установленного в паре с трибкой 6. На оси трибки закреплена спиральная пружина 7, устраняющая вибрации при прямом и обратном ходе.
Верхняя плата 8 со стойками 9 обеспечивает дополнительную опору трибке и оси зубчатого сектора.
Механизм работает следующим образом. Воздействие на шаровую опору приводит посредством осевого смещения поворотной оси к повороту упора. Последний перемещает сектор, который зубчатым зацеплением передает трибке круговое вращательное перемещение.
Центрально-осевой передаточный механизм конструктивно несложен, но при изготовлении требует достаточно высоких прецизионных технологий обработки металла.
Мембранные блоки в комплекте с передаточным механизмом являются основой манометрического прибора для малых давлений. На рис.2.68а показана схема соединения первичного преобразователя – коробчатой мембраны 1 с передаточным механизмом 2. Крепление механизма 2 на платформе мембраны 1 производится винтами 3. Винт 4 имеет двойную функцию: он закрепляет свободную сторону мембраны с механизмом, но имеет возможность регулировки по высоте. Путем вворачивания винта 4 или его отворачивания благодаря пружине 5 варьируется расстояние между мембраной и передаточным механизмом. Паз винта через отверстие в циферблате прибора доступен для его поворота в одну или другую сторону и обозначается на шкале прибора, как корректор нуля.
Мембраны нашли применение в качестве чувствительных элементов при измерении малого и среднего давления особенно вязких и загрязненных сред. Такие приборы менее чувствительны к вибрациям и пульсациям измеряемой среды, применимы при соответствующей защите мембраны для работы с агрессивными средами. Малый ход мембраны (1,5…2 мм) у таких приборов предопределяет повышенные требования к передаточному трибко-секторному механизму. Повышенная стоимость манометров с плоской мембраной относительно общепромышленных приборов компенсируется повышенной работоспособностью в различных неординарных условиях.
Диапазон измеряемого давления напоромеров, тягонапоромеров, тягомеров определяется свойствами мембран и ограничивается для таких конструкций, как правило, в пределах от 0 до 1,6…40 кПа. При этом класс точности может составлять 1,5; 1,0; 0,6; 0,4, а в ряде случаев 0,25 при размахе шкалы до 270о, а в отдельных случаях до 330о.
Контрольные напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры, не производимые ранее отечественной промышленностью, изготавливаются (рис.2.69) в корпусах 100 и 160 мм. Необходимо также обратить внимание на контрольные напоромеры НП100Н с классом точности 0,6, как пример один из которых показан на рис.2.69в и которые не наблюдались автором у других производителей.
|
а) |
б)
Рис.2.69. Вид контрольных напоромеров с классом точности: а – НП00Н -1,0; б – НП160Н -0,6; в – НП100 – 0,6. |
|
|
Коррозионностойкие напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры (рис.2.70) имеют агрессивноустойчивые материалы на держателе, мембранной коробке, корпусе и изготавливаются в корпусах 63, 100, 160 мм. Вид мембранной коробки, изготовленной из коррозионностойкой стали, представлена на рис. 2.68а.
|
а) Рис.2.70. Вид коррозионностойких напоромеров: а – НП63НН; б – НП100НН. |
б) |
Мембраны могут также использоваться в качестве УЧЭ в конструкциях некоторых моделей манометров, мановакуумметров, вакуумметров. Такие конструкции приборов более устойчивы к вибрационным, пульсационным и ударным нагрузкам.
На рис. 2.71 показана схема манометра, в котором мембрана 1 герметично приварена к фланцу 2. В центре мембраны закреплен толкатель 3, соединенный с рычагом зубчатого сектора 4. В контакте с зубьями сектора находится трибка 5, на оси которой установлена стрелка 6. Толкатель на мембране неподвижно фиксируется в посадочном гнезде.
Измеряемое давление ризм воздействует на мембрану, в результате чего перемещается ее центр. Линейное перемещение центра мембраны через толкатель передается на рычаг зубчатого сектора и затем преобразовывается в угловое перемещение указательной стрелки.
Крепежные отверстия 7 предназначены для монтажа прибора к соответствующему фланцу, приваренному к технологическому трубопроводу.
Рис. 2.71. Мембранный манометр для измерения давления вязких и загрязненных сред, а также виды присоединительных фланцев:
а – с открытой мембраной; б – с подводящим штуцером, закрытая: в – с дополнительным фланцем; 1 – мембрана; 2 – фланец; 3 – толкатель; 4 – зубчатый сектор; 5 – трибка; 6 – стрелка; 7 – крепежные отверстия
Применение мембран из нержавеющей стали обеспечивает устройству дополнительную функцию разделителя, обеспечивающего работоспособность прибора при измерении давления агрессивных сред.
Мембранные манометры могут выполняться как с открытой мембраной (рис. 2.71а), так и с подводящим штуцером (рис. 2.71б), а также с дополнительным фланцем (рис. 2.71в). Вид таких манометров показан на рис.2.72.
|
а) |
б) | |
|
|
| |
|
Рис.2.72. Вид манометров и напоромера с плоской мембраной; (а) и (б) - МП100/100Н и НП100/100Н с закрытой мембраной; (в) – МП160/160Н с открытой мембраной | ||
Основное применение мембранные манометры с открытой мембраной, как отмечалось выше, нашли при измерении жидких сред с повышенной вязкостью или различными вкраплениями, в технологических линиях, где периодически требуется гигиеническая обработка оборудования и исключается наличие «застойных» зон рабочего вещества.
Мембранные манометры используются для измерения как малых (от 0 до 1…40 кПа), так и средних давлений (от 0 до 0,06…4,0 МПа). Требуемые высокие тяговые усилия в таких приборах обуславливают большие площади непосредственно мембран, что приводит к ограничению измеряемых давлений (не более 4 Мпа). Изготовление внутреннего профиля присоединительного фланца, повторяющего геометрию мембраны, обеспечивает работоспособность таких приборов даже при существенных перегрузках (до 50, а в некоторых моделях до 200%).
Мембранные манометрические приборы устойчиво работают на пульсирующих средах, когда амплитуда размаха и частота таких размахов измеряемого давления превышает допустимые значения для приборов с трубчатыми чувствительными элементами. Такая устойчивость во многом объясняется демпфирующим эффектом, достигаемый сужающим устройством, роль которого выполняет присоединительный штуцер, и ресивером, в качестве которого можно рассматривать объем между присоединительным штуцером и рабочей мембраной.
в)
