Автоматизация доменного процесса. АСК давления природного газа. Расчет измерительной схемы автоматического потенциометра (0–700˚С)

Для измерения высоких давлений (до 980МПа) применяются поршневые манометры с гидравлическим мультипликатором (системы Жоховского), схема которого показана на рисунке 18. Он состоит из поршневого манометра с пределом измерения 4,9 МПа и двухпоршневого гидравлического мультипликатора.

Колонка 8 поршневого манометра установлена в верхней части корпуса 2 мультипликатора.

Мультипликатор имеет  цилиндр низкого давления 7 и цилиндр высокого давления 3. Эти цилиндры имеют различные диаметры. Шток поршня 6 низкого давления опирается на головку поршня 4 высокого давления.

Пространство цилиндра 7 над поршнем 6 и соединенный с ним канал колонки 8 поршневого манометра заполнены маслом. Цилиндр 3 находится в полости корпуса и также заполнен маслом.

Поршни 4 и 6, расположенные соосно и соединенные муфтой, во время работы приводятся во вращение электродвигателем, соединенным со шкивом 5.

Трубка 1 соединяет полость  корпуса с прессом высокого давления (на схеме не показан), к которому присоединяется поверяемый пружинный манометр.

Жидкость, нагнетаемая прессом высокого давления в полость корпуса, поднимает поршень 4, и его головка отходит от опорной поверхности торца цилиндра высокого давления. При этом жидкость в полости корпуса под поршнем высокого давления в трубке 1 и сообщающихся с ней каналах пресса будет находиться под давлением

 

,

 

где

 

 и ,

 

здесь – эффективная площадь поршня низкого давления; – эффективная площадь поршня высокого давления; р₁ – давление, создаваемое поршневым манометром; G₁ – сила тяжести поршней низкого и высокого давления и соединенных с ними деталей.

Давление р₀ мало по сравнению с kp_l. Поэтому можно считать, что гидравлический мультипликатор увеличивает давление р₁, создаваемое поршневым манометром, в k раз, т.е. р = kp₁.

Применение мультипликатора  с постоянной k = 200 позволяет создавать давление 980 МПа посредством поршневого манометра с пределом измерений 4,9МПа.

Постоянные k и р₀ определяются путем гидростатического уравновешивания с каким-либо поршневым манометром с известной эффективной площадью поршня или по результатам измерения диаметров поршней и их взвешивания.

 

 

3.1.3 Пружинные приборы

 

Рисунок 19 – типы пружинных приборов

 

Пружинные манометры, вакуумметры, мановакуумметры, тягомеры, напоромеры, дифференциальные манометры и барометры  составляют обширную группу приборов для технических измерений.

Действие этих приборов основано на измерении величины деформации различного вида упругих элементов. Деформация упругого чувствительного  элемента преобразуется передаточными  механизмами того или иного вида в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

Преимущества пружинных  приборов – простота устройства, надежность в эксплуатации, универсальность, портативность и большой диапазон измеряемых величин. Пружинные приборы изготовляются различных классов точности: от 0,5 до 4.

По виду упругого чувствительного  элемента пружинные приборы делятся на следующие группы:

1) приборы с трубчатой пружиной или собственно пружинные (рисунок 19 а, б)

2) мембранные приборы, упругим элементом является мембрана мембранные приборы, упругим элементом является мембрана (рисунок 19, в), анероидная или мембранная коробка (рисунок 19, г и д), блок анероидных или мембранных коробок (рисунок 19, е и ж);

3) пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рисунок 19, з) и пружинно-сильфонные (рисунок 19, и);

4) приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном) (рисунок 19, к).

Приборы с трубчатыми пружинами

Наиболее широко применяются  приборы (манометры, вакуумметры, мановакуумметры  и дифманометры) с одновитковой трубчатой  пружиной, изогнутой в виде дуги окружности, с центральным углом 180–270°.

 

Рисунок 20 – приборы с одновитковой трубчатой пружиной

а – схема трубчатой пружины (1 – трубка, 2 – держатель)

б – эллиптическое поперечное сечение;

в-плоскоовальное поперечное сечение

 

По назначению приборы  с одновитковой трубчатой пружиной делятся на рабочие, контрольные  и образцовые.

Пределы измерения, классы точности, допустимая температурная  погрешность и некоторые другие параметры на отдельные виды приборов устанавливаются стандартами. Основной деталью прибора с одновитковой трубчатой пружиной является согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения (рисунок 20). Одним концом трубка заделана в держатель, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление.

Внутри держателя имеется  канал, который соединяется с  внутренней полостью трубки.

Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшится и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает и она скручивается.

Один конец трубки закреплен; поэтому при изменении  кривизны трубки ее свободный конец  перемещается по траектории, близкой  к прямой. Свободный конец трубки воздействует на передаточный механизм, который поворачивает стрелку показывающего прибора или перемещает сердечник индукционного телепередаточного датчика.

Свойство изогнутой  трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости является следствием изменения формы сечения.

Под действием давления внутри трубки эллиптическое или  плоскоовальное сечение, деформируясь, приближается к круговому сечению (малая ось эллипса или овала  увеличивается, а большая уменьшается).

Устройство вакуумметра  и мановакуумметра с одновитковой трубчатой пружиной ничем не отличается от устройства манометра.

Рабочие приборы с  круговой шкалой изготовляются показывающими, без дополнительных устройств, а  также с контактным устройством, электрическим или пневматическим датчиком для телепередачи.

Показывающие приборы  применяются чаще всего в качестве местных приборов. Электроконтактные  манометры применяются для сигнализации о достижении минимального или максимального рабочего давления или для двухпозиционного регулирования.

Электроконтактный манометр по принципу действия аналогичен указывающему манометру с одновитковой трубчатой пружиной. Для сигнализации служит контактный механизм, электрическая схема которого аналогична применяемой в манометрических термометрах.

Контактный манометр может работать только при плавном (без пульсации) изменении давления.

На рисунке 21 показана принципиальная схема бесшкального дифференциального трансформаторного прибора, предназначенного в комплекте со вторичным прибором типа КСД) для дистанционного измерения. Давление воспринимается одновитковой трубчатой пружиной, перемещение свободного конца которой передается плунжеру дифференциально-трансформаторного датчика.

 

Рисунок 21-схема бесшкального прибора с дифференциально-трансформаторным датчиком: 1 – трубчатая пружина; 2 – плунжер

Основная допустимая погрешность прибора в комплекте  со вторичным прибором КСД составляет ±2,5% от верхнего предела измерения (в том числе погрешность самого вторичного прибора не более ±1%.

 

3.1.4 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.

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

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.