книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики

Ранее для изготовления мембран широко применяли бериллиевые бронзы БрБ2—БрБ2,5. Теперь (как для мембран, так и для сильфонов) главным образом применяют нержавеющую сталь 36НХТЮ, содержащую 36 % Ni, 12 % Сг и 3 % Ti и пригодную для работы во влажном воздухе, морской воде и во многих агрес­ сивных средах при температуре до 250 °С. Для работы при темпе­ ратурах до 300-350 °С пригоден сплав 36НХТЮМ5, а до темпера­ туры 400 °С — сплав 36НХТЮМ8.

Применяют обычно гофрированные металлические мембраны, потому что плоская мембрана имеет малую чувствительность и характеристика ее далека от линейности. С увеличением глуби­ ны гофрировки зависимость между давлением р, действующим на мембрану, и прогибом Н ее центра становится все более линей­ ной. Это следует из рис. 87, где даны полученные эксперименталь­ но характеристики пяти мембран с пилообразной гофрировкой, от­ личающихся глубиной гофр 2Я , равной 0, 0,6, 0,9,1,5 и 3,3 мм, но имеющих одинаковую толщину 5= 0,32 мм и наружный диаметр D = 108 мм. С увеличением глубины гофра возрастает не только линейность, но и жесткость мембран. Жесткость можно суще­ ственно уменьшить, применяя более сильную гофрировку у край­ него гофра. Но характеристика мембран с краевым гофром изоб­ ражается линией двойной кривизны, имеющей все же достаточно прямолинейную среднюю часть. Помимо пилообразного профиль

гофрировки может быть синусоидальным, круговым или трапециевидным.

Толщина мембран 5 очень сильно влияет на ее прогиб, что следует из формулы

212

Вялые мембраны из резины или прорезиненной ткани имеют жесткий центр, образованный двумя металлическими дисками, между которыми зажата центральная часть мембраны; диаметр последней D\ = (0,7-**0,8)D, где D — диаметр мембраны. Для уве­ личения перемещения мембрана имеет складку за пределами жест­ кого центра. Эффективная площадь мембраны Fa, т. е. та часть ее площади, которая передает действующее на нее давление жестко­ му центру, определяется по формуле

Fs = n(D +D 1)2 /16.

Эта формула справедлива для среднего положения мембраны, ког­ да плоскость ее жесткого центра совпадает с плоскостью заделки.

Для уравновешивания силы Р = pF3J гдер — давление, действу­ ющее на вялую мембрану, она дополняется винтовой пружиной, число витков п и диаметр d проволоки которой рассчитывают по формулам:

d = 3j8DP/nRKp; n = HGd* /8D3P,

где D — средний диаметр витка, которым задаются из конструк­ тивных соображений; Якр — допускаемое напряжение при кру­ чении; G — модуль сдвига; Н — рабочий ход мембраны.

Широкое применение в деформационных дифманометрах наря­ ду с металлическими мембранами получили сильфоны, представля­ ющие собой коробчатые мембраны с волновым профилем. Сильфо­ ны могут быть цельнотянутыми и сварными. Первые изготовляют из тонкостенной трубки механическим или гидравлическим спо­ собом. Сварные сильфоны позволяют получать различные соотно­ шения наружного и внутреннего диаметров с желаемой эффектив­ ной площадью F3 = 7i(RH+ RB)2/4, где RHи RB— наружный и внут­ ренний радиусы сильфона. Перемещение Н сильфона прямо про­ порционально давлению, эффективной площади F3 и числу гофр. Нередко сильфон дополняют винтовой пружиной, которая и создает основную противодействующую силу, благодаря чему устраняется влияние упругих свойств сильфона на точность измерения.

Бели жесткость с сильфона известна, то перемещение FT его дна, нагруженного винтовой пружиной, можно определить по формуле

Н = pn(Rд + RB)2 / 4(с + Gdi / 8JD3n).

Расчет винтовой пружины (определение d и п) производят по ранее приведенным формулам.

9.3. ДИФМАНОМЕТРЫ ТИПА ДМ

Среди всех разновидностей дифманометров особенно широкое применение в промышленности получили беешкальные мембран­ ные дифманометры типа ДМ с дифференциально-трансформатор­ ной передачей показаний.

213

На рис. 88 показано устройство дифманометра ДМ-3583М. Чув­ ствительный элемент дифманометра — мембранный блок, состоя­ щий из двух (иногда четырех) мембранных коробок 4 и 7, кото­ рые ввернуты своими основаниями в перегородку 6. Внутренние полости мембранных коробок, сообщающиеся между собой, за­ полняются через ниппель 20 водным раствором этиленгликоля, и после этого ниппель заваривается. Перегородка 6 вместе с дву­ мя крышками 3 и 19у между которыми она зажимается с помо­ щью муфты 5, образует две полости — нижнюю и верхнюю. В первую подается давление р\ через штуцер 2, а во вторую — давление Р2 через штуцер 21. Под воздействием перепада давле­ ния нижняя мембранная коробка сжимается и часть жидкости перетекает в верхнюю коробку, вызывая перемещение верхней мембраны и соединенного с ней сердечника 11, который движется внутри диамагнитной разделительной трубки 18. Снаружи по­ следней находится катушка 17 преобразователя, укрепленная на траверсе 10, которая защищена от случайных ударов щитками 8. Катушка 17 защищена экраном, состоящим из неподвижного кор­ пуса 16 и подвижного колпачка 15, перемещением которого дос­ тигается минимальная нелинейность выходной характеристики, после чего колпачок фиксируется винтами 12. На колпачке сверху укреплены переменное 14 и постоянное 13 сопротивления делите­ ля, обеспечивающего получение стандартного выходного сигнала. Сверху катушка 17 с сопротивлениями закрыта колпачком 9, на котором крепится штепсельный разъем. Дифманометр снабжен

214

в другую коробку, а ее мем­ браны, складываясь по профилю, прижимаются друг к другу. Этим

оправдывается сложность устройства мембранного блока. Кроме того, верхнюю мембранную коробку делают в несколько раз бо­ лее жесткой, чем нижнюю, и этим существенно уменьшают вли­ яние температуры на перемещение сердечника. Для перехода на другой предел измерения необходимо менять весь мембранный блок. Мембраны изготовляют из дисперсионно-твердеющих спла­ вов марок 36НХТЮ, 40КХНМ с надлежащей термической обра­ боткой и соединяют шовной роликовой сваркой.

Дифманометры типа ДМ-3583М изготовляют на давление до 16 МПа и на все пределы измерения по нормальному ряду от 1,6 до 630 кПа. Их класс точности 1,0 и 1,5. Аналогичные дифмано­ метры типа ДМ на другом заводе изготовляют на давления до 6,3, 25 и 63 МПа.

Основные элементы дифференциально-трансформаторной пере­ дачи показаний дифманометра типа ДМ на вторичный прибор — два идентичных индуктивных преобразователя, из которых один П1 имеется в дифманометре ДМ, а второй П2 — во вторичном приборе ВП (рис. 89). Каждый преобразователь имеет сердечник, перемещающийся внутри индуктивной катушки, которая состоит из двух обмоток: первичной, питаемой переменным током напря­ жением 24 В частотой 50 Гц от обмотки силового трансформатора усилителя, и вторичной, две секции которой включены навстречу друг другу. Как первичные, так и вторичные обмотки обоих преоб­ разователей соединены друг с другом. При положении сердечников в середине катушек индуктируемые во вторичных обмотках преоб­ разователей 171 и П2 электродвижущие силы Е\ и Е%будут равны нулю. При всяком отклонении сердечника дифманометра от этого положения вследствие изменения взаимных индуктивностей М в и М н между первичной обмоткой и верхней и нижней секциями вто­ ричной обмотки на выходе первичной обмотки будет возникать

215

ЭДС Е\у значение и фаза которой будут зависеть от величины и направления перемещения сердечника. Возникающая при этом раз­ ность напряжений Е^-Е% усиливается усилителем и приводит в действие реверсивный двигатель РД, перемещающий стрелку или перо вторичного прибора и сердечник преобразователя П2 до тех пор, пока он не займет точно такое же положение, что и сердечник дифманометра. Тогда ЭДС Е% станет равной ЭДС Е\9 напряжение на входе и выходе усилителя будет отсутствовать и система займет новое положение равновесия.

Номинальное значение взаимной индуктивности между пер­ вичной обмоткой и выходной цепью при Дртах равно 10 мГн. Ввиду невозможности изготовления строго идентичных индук­ тивных катушек к их вторичным обмоткам подключены дели­ тели, состоящие из регулируемых R1 и RV и постоянных R2 и R2' резисторов, позволяющих при настройке изменить верхний предел Ei на ±25 % и Е2 на ±15 % и обеспечить взаимозаменяемость преобразователей. Для корректировки нуля по шкале вторичных приборов типов КСФ2, КСДЗ, КВД-1 и КПД-1 служит обмоткаДО и регулируемый резистор R3. Резистор R4 и конденсатор С4 об­ разуют фазосдвигающую цепочку, а конденсаторы СЗ, СЗ' и СЗ" создают резонансный контур, способствующий возрастанию тока основной частоты.

Дифференциально-трансформаторная передача сложнее индук­ тивной, но ее большое преимущество в том, что трение во вторич­ ном приборе не влияет на показания, так как реверсивный двига­ тель всегда его преодолеет. Разбаланс положения сердечников в преобразователях П1 и П2 зависит лишь от порога чувствитель­ ности усилителя. Преобразователь П1 имеет три модификации ДТП-1, ДТП-2 и ДТП-3 с номинальным рабочим ходом сердеч­ ника из среднего положения 1,6, 2,5 и 4 мм соответственно.

Преобразователь П2 у вторичного прибора имеет одну модифи­ кацию ДТП-4 с тем же номинальным ходом, что и ДТП-3. Преоб­ разователь ДТП-4 кроме резисторов RV и R2' имеет еще обмотку ДО и резистор R3 для корректировки нуля.

Ранее преобразователи дифманометров типа ДМ выпускали без сопротивлений R l, R2y R1* и R2*9 а для корректировки нуля служила третья катушка с регулируемым сердечником. Такие дифманометры не взаимозаменяемы. Кроме того, в них мембран­ ный блок заполняли дистиллированной водой, замерзавшей при низких температурах и выводившей из строя прибор. В дифманометре ДМ-3583М эти недостатки устранены. В более ранних кон­ струкциях крышки, между которыми зажималась перегородка, раз­ деляющая мембранные коробки, стягивались болтами и в верхней крышке укреплялись трубки с запорными и уравнительными вен­ тилями. В ДМ-3583М этих трубок нет, а крышки стягиваются резьбовой муфтой. Рассматриваемые мембранные дифманомет­ ры оказались в эксплуатации удобными и надежными прибора­ ми.

216

Наряду с дифманометром ДМ-3583М имеется мембранный дифманометр ДМ-3583ФМ, предназначенный для работы с вторичны­ ми приборами ферродинамической системы типа ВФС, ФП, ВФПС

иВФСС. В дифманометре ДМ-3583ФМ устанавливается преобра­ зователь типа ПД, сердечник которого перемещается не в одной, а

вдвух катушках, находящихся одна над другой и разделенный пружиной, которая фиксирует их положение. Катушки имеют первичную и вторичную обмотки, две секции последней включе­ ны встречно. Имеются три модификации преобразователей ПДЗ, ПД4 и ПД5 с ходом сердечника из среднего положения ±1,5, ±2

и±2,5 мм соответственно с пределами изменения выходной ЭДС-(1-0-г-1) В. Выходная обмотка преобразователя соединена с обмоткой рамки преобразователя ПФ-2 во вторичном приборе по компенсационной схеме. Первичная обмотка преобразователя ПД

иобмотка возбуждения преобразователя ПФ-2 включены после­ довательно.

9.4. ДИФМАНОМЕТРЫ ТИПА ДМЭР

Эти дифманометры отличаются от рассмотренных дифманометров типа ДМ устройством для передачи показания вторично­ му прибору. Вместо дифференциально-трансформаторных преоб­ разователей здесь применяют преобразователи, основанные на ком­ пенсации магнитных потоков [5]. Они имеют унифицированный выходной сигнал постоянного тока 0-5 мА, для измерения которо­ го могут служить миллиамперметры КПУ1, КВУ1, КСУ1, КСУ2, КСУ4. Дифманометры ДМЭР и ДМЭР-М (малогабаритный) имеют класс 1,5 и рассчитаны на давление 40 МПа. Предельные перепа­

217

Рис. 91. Принципиальная электромагнитная схема дифманометра ДМЭР

размещены магнитопровод 5 и остальные элементы преобразова­ теля с магнитной компенсацией. Рядом с преобразователем на­ ходится полупроводниковый усилитель 4 типа УП-МКР. На труб­

Электромагнитная схема дифманометра ДМЭР приведена на рис. 91, а схема магнитных потоков дана на рис. 92. Каждый из магнитопроводов и М 2 (см. рис. 91) образует вместе с магнит­ ным сердечником своеобразный магнитный мост, два плеча кото­ рого составляют магнитный сердечник 1, а два других — магни­ топровод 2 (рис. 92). В диагонали каждого моста имеется маг­ нитопровод, собранный из набора пластин с немагнитными про­ кладками, на котором намотаны состоящие из двух секций ка­ тушки возбуждения W<±—W\ и W 2—W*2 и катушки обратной

связи Jii—п\ и П2—п 2 (смРис* 91)* Магнитный поток, создавае­ мый магнитом, замыкается через магнитопровод и частично (бла­ годаря относительно большим воздушным зазорам) через диаго­ наль моста. При среднем положении магнита (рис. 92, а) ответв­ ляемые в диагональ потоки Фх и Ф2, имеющие противоположное направление, равны по значению и поэтому результирующий по­ ток в диагонали моста равен нулю. При перемещении магнита симметричность моста нарушается (рис. 92, б), и в его диагонали возникает магнитный поток, направление которого зависит от на­ правления перемещения и полярности магнита. Этот поток в од­ ном магнитопроводе (см. рис. 91) складывается с магнитным

Рис. 92. Схема магнитных потоков в преобразователе дифманометра ДМЭР: а — при нейтральном положе­ нии магнита; б — при смещенном магните

218

потоком, создаваемым двумя секциями W i и W\ катушки воз­ буждения, а в другом магнитопроводе М 2 вычитается из магнит­ ного потока, создаваемого секциями W 2 и W'2 другой катушки возбуждения. Это приводит к изменению силы токов в обеих ка­ тушках и появлению напряжения на вершинах моста, плечами которого являются катушки возбуждения и постоянные резисто­ ры R1 и R2. Мост питается от силового трансформатора усилителя напряжением в виде прямоугольных импульсов с частотой 50 Гц, формируемых с помощью стабилитрона и ограничительного ре­ зистора. В измерительную диагональ моста включены фильтру­ ющий конденсатор С и усилитель У, в выходной цепи которого имеются нагрузка RHи устройство обратной связи УОС. Послед­ нее питает током с секции ni—п\ и п2—п'2 катушек обратной связи, создающих в магнитопроводаxM i и М 2 магнитные потоки, которые направлены навстречу потокам от постоянного магнита. Сигнал, снимаемый с резисторов R1 и R2, будет пропорционален управляющему воздействию разности магнитных потоков постоян­ ного магнита и катушек обратной связи. Суммарное сопротивление внешней нагрузки RHне должно превышать 2,5 кОм.

В расходомерных дифманометрах применяют усилитель типа УП-МКР, который отличается от усилителя УП-МК в перепадо­ мерных дифманометрах тем, что в нем имеется квадратор для из­ влечения квадратного корня из перепада давления. Он состоит из автогенерирующего регулирующего устройства с широтно-им­ пульсной модуляцией, функционального импульсного делителя и источника питания. Выходной сигнал — прямоугольные им­ пульсы постоянной амплитуды (частота и коэффициент заполне­ ния импульсов зависят от входного сигнала).

Схемы различных зарубежных дифманометров с компенсацией магнитных потоков рассмотрены в работе [6].

9.5. ДИФМАНОМЕТРЫ ТИПА «САПФИР»

Эти дифманометры появились позднее мембранных дифмано­ метров ДМ и ДМЭР и очень сильно от них отличаются. Чувстви­ тельный элемент у них — не гофрированная, а плоская дисковая мембрана малого диаметра, деформация которой преобразуется в стандартный токовый сигнал 0 -5 мА с помощью тензорезисторов. Дифманометры «Сапфир» характеризуются высокой точнос­ тью и малыми габаритными размерами.

К поверхности дисковой мембраны из стали или титана жест­ ким припоем присоединен полупроводниковый тензорезисторный преобразователь. Он состоит из диэлектрической сапфировой монокристаллической подложки с определенной кристаллографичес­ кой ориентацией, на которой методом гетероэпитаксиальной тех­ нологии выращена тонкая (толщиной не более 1 мкм) монокристаллическая пленка кремния, обладающая тензорезисторным эф­

219

фектом. Дифманометры «Сапфир» (так же, как и дифманометры ДМ и ДМЭР) бесшкальные. В связи с этим возможны два вари­ анта наименования этих дифманометров. Первое — дифманометр мембранный бесшкальный с электрическим преобразователем перемещения или деформации мембраны в выходной сигнал. Второе — двухступенчатый преобразователь перепада давления сперва в перемещение или деформацию мембраны, а затем с по­ мощью тензорезисторного эффекта в выходной сигнал (электри­ ческий). Разработчиками и заводами-изготовителями для диф­ манометров типа «Сапфир» (но не для ДМ и ДМЭР) принят по­ следний вариант, и называют эти дифманометры сокращенно пре­ образователями разности давлений.

Конструкция такого преобразователя («Сапфир-22ДД») зави­ сит от значения предельного перепада давления. На рис. 93, а показано устройство преобразователей на большие предельные перепады: модель 2450 на давление 16 МПа и перепады 0,4, 0,63, 1,0, 1,6 и 2,5 МПа и модель 2460 на давление 25 МПа и перепады 2,5, 4,0, 6,3,10 и 16 МПа. Измеряемый перепад давления воспри­ нимается гофрированными мембранами 7 п 10 (толщиной около ОД мм), края которых приварены к основанию 8. Внутри после­ днего размещена измерительная дисковая мембрана 4 с тензопреобразователем. Вся внутренняя полость основания заполнена кремнийорганической жидкостью, которая и передает давление Pi по каналу 6, а давлениеР2 по каналу 11 па мембрану 4. Крышки 5 и 9 стянуты с основанием болтами и уплотнены прокладками 3. При односторонней перегрузке мембраны 7 или 10 прижимают-

Рис. 93. Устройство преобразователей «Сапфир-22Д*: a — для боль­

ших Аршах от О»4 ДО 2,5 МПа (модель 2450) и Дртах от 2,5 до 16 МПа (модель 2460); б — модели 2410, 2420, 2430, 2434, 2440 и 2444

220

ся к боковым поверхностям основания 8, которые имеют соответ­ ствующий профиль. Зазор между мембранами и основанием око­ ло 0,5 мм, а измерительное перемещение мембран 0,2-0,3 мм. Упругость последних (вместе с упругостью мембраны 4) уравно­ вешивает измеряемый перепад давления. Их профиль и глуби­ на гофрировки обеспечивают линейность характеристики при пе­ ремещении до 0,3 мм при наименьшей жесткости.

Тензопреобразователь соединен проводами, проходящими че­ рез герметический вывод 2, с электронным устройством 1. По­ следнее преобразует разность двух напряжений, снимаемых с из­ мерительного моста, в унифицированный сигнал постоянного тока, изменяющийся в пределах 4-20 мА при двухпроводной линии связи и 0 -5 мА или 0-20 мА при четырехпроводной линии свя­ зи. В электронное устройство 1 входят: микросборка стабилиза­ тора напряжения и регулируемого источника тока, а также эле­ менты схемы температурной компенсации и перенастройки диа­ пазона измерения (с помощью включения перемычек) в пределах 10 % . Устройство снабжено корректорами нуля и диапазона изме­ рения. Питание всей схемы от источника постоянного тока напря­ жением 36 В. Основная погрешность рассмотренной модели 0,25 и 0,5 % .

Для средних и небольших перепадов давления рассмотренная конструкция не пригодна вследствие большой жесткости диско­ вой мембраны и применяется конструкция, схема которой пока­ зана на рис. 93, б. Здесь мембрана 3, установленная в основании 7, изготовлена как одно целое с рычагом 4 и работает на изгиб при перемещении нижнего конца рычага 4 пластинчатой тягой 9, закрепленной в рычаге с помощью винта. Другой конец тяги 9 связан со штоком 5, переходящим в диски с гофрированной на­ ружной поверхностью. Эти диски образуют жесткие центры гоф­ рированных мембран 6 п 8, воспринимающих измеряемый пере­ пад давления. Каждая из мембран своими концами приварена к основанию 7, а в средней части к соответствующему диску, обра­ зующему ее жесткий центр. Вся внутренняя полость основания между воспринимающими мембранами заполнена кремнийорганической жидкостью. Герметический вывод 2 для проводов от тензопреобразователя и электронное устройство 1 аналогичны тем, которые были ранее рассмотрены. При перегрузке мембраны 6 и 8 прижимаются к соответственно гофрированным поверхностям основания 7 и дисков штока 5, образующих их жесткие центры.

По такой схеме изготовляют преобразователи: модель 2410 на дав­ ление 4 МПа и предельные перепады 0,25, 0,4, 0,63, 1,0 и 1,6 кПа; модель 2420 на давление 4 МПа и предельные перепады 1,6, 2,5, 4,0, 6,3 и 10 кПа; модель 2430 на давление 16 МПа и предельные перепады 6,3, 10, 16, 25 и 40 кПа; модель 2434 на давление 40 МПа и предельные перепады 6,3, 10, 16, 25 и 40 кПа; модель 2440 на давление 16 кПа и предельные перепады 40, 63,100,160 и 250 кПа и модель 2444 на давление 40 кПа и предельные перепа­

221