Лекция №10. Қысымды бақылау мен өлшеу құралдары және әдістері

Қысымның, оның өзгеруі мен сиреуін кең қолдануы технологиялық процестерде қысымды бақылау мен өлшеудің әр түрлі құралдарын және әдістерін қолдануға қажеттілік тудырады.

Қысымды өлшеу әдістері өлшенетін қысымның күшін келесідей күштермен салыстыруға негізделген:

- сәйкес биіктікті сұйықтықтң (сынаптың, судың) бағанасының қысым;

- серімді элементтердің (серіппе, мембрана, монометрлік және анероидты қорабтар, сильфондар, манометрлік түтіктер) деформациясында дамитын;

- жүктердің ауырлығы;

- кейбір материалдардың деформациясында туындайтын және электрлік эффектті туғызатын серпімді күштермен.

Көрсетілген әдістерге сәйкес қысымның параметрлерін өлшеу құралдарын сұйықтықты, деформациялы, жүкпоршенді және электрлік деп бөлуге болады.

Қысымды өлшеу құралдары келесідей болып бөлінеді: барометрлер (атмосфералық қысымды өлшеу үшін), манометрлер (асқын қысымды өлшеу үшін), вакуумметрлер (вакуумметрлік қысымды өлшеу үшін), мановакуумметрлер (асқын және вакуумметрлік қысымдарды өлшеу үшін), абсолюттік қысым манометрлері (абсолютті нөлден басталатын қысымды өлшеу үшін), дифференциалдық манометрлер (қысымдар-дың айырмашылықтарын (өзгерістерін) өлшеу үшін).

Қысымды өлшеудің сұйықтықты құралдары.Өлшеудің сұйықтықты құралдарының әрекеті гидростатикалық принцип-ке негізделген, яғни өлшенетін қысым қамалған (жұмыстық) сұйықтың бағанасының қысымымен теңгеріледі. Сұйықтың тығыздығына тәуелді деңгейлер айырмашылығы қысым мөлшері болып табылады.

Қысымды немесе қысымның айырмашылығын өлшеудің қарапайым құралы болып екі түтікті (немесе U-тәрізді) манометр табылады (10.1-сурет, а). Ол жұмыс сұйығымен (сынаппен немесе сумен) толтырылған және шкаласы бар панелге бекітілген иілген шыны құбыр болып келеді.

10.1-сурет. Сұйықты манометрлер: а - U-тәрізді; б-кеселі; в-микроманометр.

Құбырдың бір шеті атмосфералымен байланысады, ал басқасы қысым өзгеретін нысанға қосылады. Оның мәнін келесідей теңдеуден анықтаймыз:

,

мұнда p - өлшенетін қысым, Па; h - сұйық деңгейлерінің айырмашылығы,м; -сұйықтың тығыздығы, кг/м³; g-ауырлық күшінің үдеуі,м/с².

Екітүтікті манометрлердің келтірілген өлшеу қателігі 0,2..2% кезінде өлшеулерінің жоғарғы шегі 1..10 кПа құрайды. Бұл құралмен қысымды өлшеу дәлдігі h мәнін есептеу дәлділігімен, жұмыс сұйықтығының тығыздығын анықтау дәлділігімен анықталады және құбырдың қимасына тәуелді емес.

Қысымды өлшеу құралдарының ыңғайлысы болып біртүтікті манометр (кеселі) табылады (10.1-сурет, б). Онда бір түтік ыдыспен алмастырылған, оның диаметрі әдетте түтік диаметрінен 20 есе үлкен. Манометрдің жұмыс істеу принципі жоғарыда қарастырылғанға ұқсас, бірақ қысым немесе сиреу келесі формуламен анықталады:

,

мұнда d,D - сәйкес түтік пен кең ыдыс диаметрлері, м; f,F - түтік пен кең ыдыс қимасы, м².

Түтіктің және ыдыстың диаметрлерінің немесе қималарының қатынасы айтарлықтай маңызды болғандықтан, қысым өзгергенде h₂ деңгейінің төмендеуін ескермесек, оны тек шыны түтік, яғни h₁ бойынша есептеуге болады.

Бір түтікті манометрлердің өлшеуінің жоғарғы шегі 1,6...10 кПа, өлшеудің келтірілген қателігі 0,25...0,4% құрайды.

10.1-суретте (в) сол принципке негізделген біртүтікті микроманометр көрсетілген. Ол қысымның аз мәндерін (2 кПа-ға дейін) өлшеуге арналған. Бұл манометрде шыны түтік горизонтқа бұрышын жасай көлденең орналасқан. Осылайша өлшеу дәлдігі бірнеше есе өседі.

ескеріп және мәнінің аздығынан ескермесек, өлшенетін қысымды келесі теңдеуден алуға болады:

.

Түтіктің көлбеу бұрышының азаюынан манометр өлшеу шегі кемиді және өлшеу дәлдігі артады.

Қысымды өлшеуінің деформациялық құралдарыбақыланатын ортаның қысымының немесе вакуумының сезімтал элементке түсіретін күшін, әртүрлі типтегі серпімді элементтердің серіппелік деформацияның күшімен теңгеруге негізделген. Бұл деформация сызықты немесе бұрыштық орын ауысу түрінде тіркеуші құрылғыға беріледі (көрсететін немесе өзі жазатын) немесе қашықтан беруге арналған электрлік (пневматикалық) сигналға түрлендіріледі.

Сезімтал элемент ретінде бір орамдық түтіктік серіппелерді (10.2-сурет, а), көп орамдық түтіктік серіппелерді (10.2-сурет, б), серпімді мембраналарды (10.2-сурет, в), серпімді мембраналы қораптарды (10.2-сурет, г,д), қосарланған серпімді мембраналы қораптарды (10.2-сурет, е,ж), иілгіш мембраналы серіппе-мембраналарды (10.2-сурет, з), сильфондарды (10.2-сурет, и) және серіппелі-сильфондарды (10.2-сурет, к) қолданады.

Мембрананы, сильфондарды және түтіктік серіппелерді дайындау үшін жеткілікті жоғары серіппелікпен, антикоррозиялықпен, температураның өзгеруіне параметрлері аз тәуелді қола, латунь, хромды-никельдік қоспалар қолданады.

10.2-сурет. Қысымды өлшеу құралдарының деформациялық сезімтал элементтері

Мембраналы аспаптар бейтарап газды орталардың азғантай қысымдарын (40 кПа-ға дейін) өлшеу үшін қолданылады. Бұл аспаптардың мәліметтерінің дәлдігі 2,5. 10.3-суретте профильдік шкаласы 250-ден 25000 Па-ға дейінгі мембраналы вакуумметрдің құрылымы көрсетілген. Сезімтал элемент болып түтік 12 арқылы өлшенетін ортамен байланысқан мембраналы қорап 6 табылады. Мембрана аспаптың корпусына штуцер 13 арқылы бекітілген. Өлшенетін ортаның қысымының өзгеруі мембраналы қораптың 6 сәйкес иілуінің өзгеруін туғызады. Сонымен қатар мембраналы қораптың 6 жоғарғы бөлігіне бекітілген жетек 9 өсте 8 орналастырылған иінтіректі 7 бұрады. Серіппелі жүйенің қаттылығын

10.3-сурет. Профилдік шкалалы мембраналы вакуумметрдің құрылымы

ұлғайту үшін өс 8 жалпақ серіппеге 10 бекітілген. Иінтіректің 7 бұрылуы тартпаның 14 және өсте 4 орналастырылған иінтіректің 1 орынауыстыруын тудырады. Осы өсте стопорлы винт 2 арқылы қарсысалмақты 3 көрсеткіш жебе 5 бекіттілген. Көрсеткіш жебенің 5 ұшы горизонталь профильдік шкала бойымен жылжиды. Спираль серіппе 15 жалғастырылған иінтіректі механизмінің бөлшектерінде саңылауларды болдырмауға арналған. Жебені шкаланың басталу белгісіне қою үшін нөлдік түзетушінің винті 11 қолданылады.

Сильфонды аспап агрессивтік емес газдың асқын және вакуумметрлік қысымын 40 кПа-ға дейін, 400 кПа-ға дейін (манометрлер секілді), 100 кПа-ға дейін (вакуумметрлер секілді),

-100...+300 кПа аралығында (мановакуумметр секілді) өлшеуге арналған.

Диаметрлері 8...150 мм қабырғасының қалыңдығы 0,1..0,3 мм, толқын саны 4; 6; 10 және 16 сильфондар қолданылады.

Түтікті-серіппелі аспаптар кең таралған манометрлердің, вакуумметрдің және мановакуумметрдің қатарына жатады.

Түтіктік серіппе шеңбердің доғасымен иілген жұқа қабырғалы бір шеті дәнекерленген, қалайы қоспасынан немесе даттанбайтын болаттан жасалатын түтік (бір- немесе көп орамды) болып табылады. Түтіктің ішінде қысымының ұлғаюынан немесе азаюынан серіппе белгілі бір бұрышқа жиырылады немесе жазылады.

10.4-суретте қарапайым серіппелі манометрдің құрылығысы көрсетілген.

10.4-сурет –Серіппелі манометрдің құрылымы

Ол корпустан 1 және көлденең сопақ қималы, 270⁰ бұрышқа шеңбер бойынша иілген, бір жағы бос және қатаң тығындалған, ал екінші жағынан штуцер 8 арқылы өлшенетін қысым көзіне жалғанған ұстағышқа дәнекерленген қуыс түтіктен 2 тұрады. Түтіктің жабық ұшы жетектің 7 көмегімен көрсетуші жебемен 4 бір өсте орналасқан, тістегершікті 5 ілініскен, тісті сектормен 6 жалғасқан. Асқын қысым әсерінен түтік жазылады, оның бос ұшы орнын ауыстырып және жетекті 7 тартып, онымен байланысқан 6 тісті секторды бұрады. Соңғысы тістегершікті 5 және өлшенетін қысымның шамасын көрсететін шкала 3 бойымен жебені 4 айналдырады. Сектор тістерінің және тістегершік арасындағы өлі қадамды болдырмау үшін спираль серіппе 9 қолданылған.

Қарастырылған манометрлердің түрлері жоғарғы шегі 60...160 кПа қысымды өлшеу үшін шығарылады. Вакуумметрлер 0..100 кПа шкаласымен шығарылады. Мановакууметрлердің өлшеудің шегі: -100 кПа-дан +(60кПа...2,4) МПа дейін. Жұмыстық манометрлерінің дәлдігінің сыныбы 0,6...4, үлгіліктердікі - 0,16; 0,25; 0,4.

Электрлік манометрлері мен вакуумметрлер.Жартылай өткізгіштер техникасының және микроэлектрониканың дамуы қысымды мәндерінің үлкен диапазонында өлшеудің жаңа құралдарын жасап шығаруға мүмкіндік берді.

10.5-сурет – Пьезоэлектрлік манометрдің түрлендіргішінің құрылымы

Бұл топтарғы аспаптардың жұмысы кейбір материалдарының қысымның әсерінен электрлік параметрлерін өзгертетін қасиеттеріне негізделген.

Пьезоэлектрлік манометрлер сезімтал элементке рауалы күшсалмақ 8*10³ ГПа-ға дейін механизмдерде жоғары жиілікте лүпілдейтін қысымды өлшеуде қолданылады. Пьезоэлектрлік манометрлерде механикалық кернеуді электр тоғының тербелістеріне түрлендіретін сезімтал элемент болып кварцтан, барий титанатынан немесе ҚЦТ (қорғасынның цирконат-титанаты) типті керамикадан жасалған қалыңдығы бірнеше миллиметр цилиндр немесе тік бұрышты түріндегі пластиналар табылады. Пьезоэлектрлік манометрдің түрлендіргішінің құрылымы 10.5-суретте көрсетілген.

Өлшенетін қысым мембраналы 7 арқылы пьезоэлементтерге 8 және 9 әсер етеді. Олар металл аралық төсеммен 4 жанасатын ішкі жақтарында бір аттас зарядтар пайда болатындай етіліп орналастырылады. Пластиналардың ішкі жақтарындағы потенциалы аралық төсемге 4 жалғасқан оқшауланған өткізгішпен 3 алынады, ал пьезоэлементтердің сыртық жақтарынан – корпуспен және металл аралық төсемдер 2, 5, мембрана 7, шарик 10, қақпағы 1 арқылы алынады. Мембраны 7 қысатын штуцер 6 сезімтал элементті өлшеу объектісіне жалғастыруға арналған.

Тензометрлік манометрлердің габариттері кіші өлшемі, құрылғысы қарапайым, жоғарғы дәлдікті мен жұмысы сенімді болып келеді. Көрсетуінің жоғарғы шегі 0,1..40 МПа, дәлділік сыныбы 0,6, 1 және 1,5. Олар күрделі өндірістік жағдайларда қолданылады.

Сезімтал элемент ретінде тензометрлік манометрлерде, жұмыс істеу принципі деформация әсерінен кедергінің өзгеруіне негізделген, тензорезисторлар қолданылады.

Жылулық вакуумметрлердің (10.6-сурет) жұмыс істеу принципі газды ортаның жылуөткізгіштігіің оның сиреу дәрежесіне тәуелділігіне негізделген.

10.6-сурет - Жылулық вакууметрлер: а-кедергілер; б-терможұп: 1- электрлік кірістер,2-вакуумдық баллон, 3-платина жіп, 4-жалғастыру түтігі, 5-терможұп

Дифференциалды манометрлер сұйықтар мен газдардың қысымдардың айырмашылығын өлшеу үшін қолданылады. Олар газ бен сұйықтар шығынын, сұйықтың деңгейін өлшеу үшін, сонымен қатар азғантай асқын және вакуумметрлік қысымдарды өлшеуге пайдаланылуы мүмкін.

Соңғы кездері өндірісте мембраналы және сильфонды дифференциалдық манометрлер көп қолданылып келеді.

Мембраналы дифференциалдық манометрлер агрессивті емес орта қысымын өлшеуге арналған, өлшенетін шаманы 0..5 мА тұрақты токтың бірегейленген аналогтық сигналына, 0..10 мГн өзара индукцияның айнымалы тоғына немесе қысымы 20..100 кПа пневматикалық сигналға түрлендіретін шкаласыз алғаш өлшеу аспабы болып табылады. Дифференциалды-трансформаторлы түрлендіргішті ДМ типті мембраналы дифференциалдық манометрдің сұлбасы 10.7-суретінде, (а) көрсетілген. Бұл манометрдің сезімтал элемент болып, корпуста 2 бекітілген екі мембраналы қораптардан 1 және 3 тұратын, мембраналы блок табылады.

Мембраналы қорап магниттелмейтін хромникельдік қорытпадан жасалған горфирленген мембранадан жасалады. Қораптың ішкі жағы дистилденген сумен толтырылған және аралық қабырғадағы тесік арқылы бір бірімен байланысады. Жоғарғы мембрананың ортасымен дифференциальдық-трансформаторлық түрлендіргіштің 5 өзекшесі 4 байланысқан. Өзекше 4 магниттелмейтін болаттан жасалған бөлетін құбырдың 6 ішінде жылжиды. р₁ мен р₂ қысымдары дифференциалды манометрдің камерасында тығындайтын вентиль арқылы түтіктермен беріледі, бұл жерде р₁ қысымы р₂ қысымынан үлкен. Өлшенетін қысымдар айырмашылығы (р₁-р₂) әсерінен төменгі мембраналы қорап 1 сығылады және оның ішіндегі сұйық жоғарғы мембраналы қорапқа 3 құйылады. Бұл жоғарғы қораптың мембранасының ортасының, сонымен бірге түрлендіргіштің өзекшесінің 4 мембраналы блокқа түсірілген қысымның айырмашылығы мембраналы қораптың серпімділік күшімен теңескенше жылжуына әкеледі. Өзекшенің 4 жылжуы өлшенетін қысым өзгерісіне пропорционал шығу сигналының кернеуінің өзгеруіне әкеледі.

ДМ типті дифференциалдық манометрлер 1,6..630кПа қысымның шектік өзгерісін өлшеуге арналған.

10.7-сурет - Дифференциалдық манометрлер.

Сильфонды дифференциалдық манометрлер. 10.7-суретінде (б) магнитті түрлендіргішті сильфонды дифференциалдық манометрдің құрылымы көрсетілген. Дифференциалдық манометрдің өлшеу блогы қатаңдығы өлшенетін қысымның өзгеру диапазонымен анықталатын серіппе 2 бекітілген сильфоннан 1 тұрады. Сильфон 1 магниттік өзекшемен байланысқан 4 жалпақ серіппелі аспамен 3 қатаң жалғасқан. Магниттік өзекше магниттік компенсациялы түрлендіргіш 6 орналасқан магниттелмейтін болаттан жасалған бөлетін түтіктің 5 ішінде орналасқан. Түрлендіргішпен 6 қатар транзисторлы күшейткіш 7 орналастырылған. Дифференциалды манометрдің камерасындағы р₁ мен р₂ қысымдарын келтіру импульсті түтіктер арқылы іске асырылады. Қысымдар айырмасы (р₁-р₂) әсерінен сильфон өзінің түбін жылжыта, сығылады. Бұл кезде шығу сигналдары қосымша күшейтілетін және 1...5 мА бірегей сигнал түрінде екіншілікті аспапқа берілетін магниттік күшейткішке әсер ететін түрлендіргіштің 6 магниттік өзекшесі 4 жылжиды.

Сильфонды дифференциальдық манометрлер 1...4 кПа шектік қысым өзгерісіне арнап шығарылған. Олар 25 кПа шектік рауалы жұмыстық асқын қысымға есептелген.

Негізгі әдебиет: 1 , 5

Қосымша әдебиет: 8

Бақылау сұрақтары:

1. Сұйықтың, газдың және будың шығыны мен мөлшері қандай шамалармен анықталады?

2. Қысым шамасын өлшеу әдістері неге негізделген?

3. Қысым параметрлерін өлшеудің қандай құралдары өндірісте қолданыс тапты?

4. Қысымды өлшеудің деформациялық құралдарының әрекет принципі мен құрылымы қандай?

5. Электрлік манометрлер мен вакуумметрлердің әрекет принципі мен құрылымы қандай?

6. Дифференциальдық манометрлер деген не және олардың әрекет принциптері қандай?