Практическая работа

Цель работы: изучение пружинных манометров типа ОБМ (устройство, принцип действия, работа).

Пружинный манометр типа ОБМ

Манометр (от греческого manos - редкий, неплотный и metreo-измеряю) - прибор для измерений избыточного давления (давления выше атмосферного) паров, газов или жидкостей, заключенных в замкнутом пространстве. Разновидностью манометра является вакуумметр - прибор для измерений давления, близкого к нулю и мановакуумметр прибор для измерений разряжения и избыточного давления.

Самыми популярными у потребителей являются манометры с трубкой Бурдона или деформационные манометры, конструкцию которых придумал Э. Бурдон в 1849г.

Трубка Бурдона - главный конструктивный элемент манометра, его чувствительный элемент, являющийся первичным преобразователем давления.

Трубка Бурдона выполнена обычно из латуни или фосфористой бронзы, имеет на низкие давления форму полукруга, на средние и высокие давления форму витка. Одним концом трубка соединена с входным штуцером манометра, который является присоединительным элементом к измеряемой среде а второй конец запаян и расположен консольно. Путем применения трубок более сложной формы (спиральной, винтообразной) можно получать приборы с большей чувствительностью, но меньшим пределом измерения.

Принцип действия деформационных манометров.

Под давлением среды консольно расположенный конец трубки Бурдона перемещается - трубка старается распрямиться. Величина этого перемещения пропорциональна величине давления.

Несложная рычажно-зубчатая передача приводит в движение стрелку, указывающую на шкале прибора величину давления. Такое устройство имеют большинство манометров отечественных марок МП, МТП, ДМ ТМ, М 3/1, ОБМ, МТИ, МПТИ, МО, немецкие манометры Wika 111.10, 111.12, 213.53, RCh, RСhg, RChgG и манометры других производителей.

Общий вид пружинного манометра типа ОБМ показан на рис.1.

Рисунок 1 – Пружинный манометр типа ОБМ

Рисунок 2 - Схема устройства манометра с трубкой Бурдона

1-трубка Бурдона, 2-тяга передаточного механизма, 3-зубчатый сектор, 4-стрелка, 5-штуцер

В качестве чувствительных элементов у манометров ис­пользуются трубчатые пружины. Как видно из рис. 3, один конец трубчатой пружины 3 переходит в штуцер 7 для восприятия измеряемого давления. Под действием давления свободный конец манометрической трубки 5 будет деформи­роваться (изгибаться), причем величина упругой деформации пропорциональна измеряемому давлению. В силу этого со­отношения измерительная стрелка 1 за счет перемещения кинематического узла (трибка 2 - сектор 4 - поводок 6) показывает относительно шкалы прибора истинное значение измеряемого давления.

Рисунок 3 – Кинематическая схема манометра с трубкой Бурдона

1-стрелка, 2- трибка, 3 – пружина, 4-зубчатый сектор, 5-датчик давления (манометрическая трубка), 6-поводок, 7-штуцер

Пружинные показывающие и самопишущие манометры ремонтируются силами ремонтных служб метрологического подразделения. Для этого на специальном участке рабочие места должны быть оборудованы резервными стеклами стан­дартного ряда диаметром 60, 100, 160 и 250 мм, стандартны­ми шкалами, специальными съемниками для демонтажа из­мерительных стрелок с осей приборов; струбцинами для крепежа деталей манометров, набором лерок для восстановления забитых резьб штуцеров М 20X1,4, приспособлениями для вычерчивания шкал, наборами пинцетов и часовых луп, на­борами газовых горелок малой величины для пайки чувстви­тельных элементов (пружин).

Наиболее трудоемкими операциями является замена чув­ствительного элемента (трубки) манометра и регулировка кинематического звена «сектор - трибка» (см. рис. 3).

Замену чувствительного элемента прибора производят после его использования для замера давления, превышающе­го максимальное. В результате этого трубка растягивается, возникает остаточная деформация, не подлежащая ремонту. Для ремонта такого прибора производят его полную разбор­ку, штуцер 7 закрепляют в тиски и с помощью газовой горелки демонтируют трубку 5 из платы. После оплавления припоя неисправную трубку извлекают пассатижами, а на ее место после зачистки поверхности устанавливают аналогич­ную манометрическую пружину (на заданный предел измере­ния давления). Место пайки обрабатывают растворителем - канифолью с ацетоном (спиртом) или соляной кислотой.

Манометр (от греческого manos — редкий, неплотный и metreo-измеряю) — прибор для измерений избыточного давления (давления выше атмосферного) паров, газов или жидкостей, заключенных в замкнутом пространстве. Разновидностью манометра является вакуумметр — прибор для измерений давления, близкого к нулю и мановакуумметр прибор для измерений разряжения и избыточного давления.

Самыми популярными у потребителей являются манометры с трубкой Бурдона или деформационные манометры, конструкцию которых придумал Э. Бурдон в 1849г.
Трубка Бурдона — главный конструктивный элемент манометра, его чувствительный элемент, являющийся первичным преобразователем давления.
Трубка Бурдона выполнена обычно из латуни или фосфористой бронзы, имеет на низкие давления форму полукруга, на средние и высокие давления форму витка. Одним концом трубка соединена с входным штуцером манометра, который является присоединительным элементом к измеряемой среде а второй конец запаян и расположен консольно. Путем применения трубок более сложной формы (спиральной, винтообразной) можно получать приборы с большей чувствительностью, но меньшим пределом измерения.

Принцип действия деформационных манометров.

Под давлением среды консольно расположенный конец трубки Бурдона перемещается — трубка старается распрямиться. Величина этого перемещения пропорциональна величине давления.
Несложная рычажно-зубчатая передача приводит в движение стрелку, указывающую на шкале прибора величину давления. Такое устройство имеют большинство манометров отечественных марок МП, МТП, ДМ ТМ, М 3/1, ОБМ, МТИ, МПТИ, МО, немецкие манометры Wika 111.10, 111.12, 213.53, RCh, RСhg, RChgG и манометры других производителей.

Схема устройства манометра с трубкой Бурдона

1-трубка Бурдона, 2-тяга передаточного механизма, 3-зубчатый сектор, 4-стрелка, 5-штуцер

Кроме стрелочных манометров, широко применяются бесшкальные манометры (имеющие подобную схему устройства) МЭД с унифицированными электрическими выходными сигналами, используемые в системах контроля, автоматического регулирования и управления различными технологическими процессами.
Существенным недостатком деформационных манометров является гистерезис.
Суть явления: деформируемый элемент трубка Бурдона, подвергнутый воздействию высокого давления, при последующих измерениях будет давать несколько завышенные показания. То же относится и к вакуумметру, который после откачки до глубокого вакуума будет, напротив, занижать показания. Учитывая, что система вакуумного насоса работает в диапазоне давлений от атмосферного до 0,133 Па (10 в -3 мм рт. ст.), такие перепады будут отрицательно сказываться на точности деформационного манометра.

Для предотвращения повреждения деформационных манометров из-за значительных перепадов давления в измерительных системах предусматривается кран или клапан, отключающий прибор в промежутках между измерениями.

А. Виганд (с 1996 г. по настоящее время)

Более чем 43 миллиона качественных приборов поставляются в более чем 100 стран ежегодно. Приблизительно 350 миллионов измерительных приборов WIKA используются во всем мире.
Разработка и производство манометров с упругим чувствительным элементом на основе трубки Бурдона всегда составляли значительную часть производственной программы компании WIKA. И в настоящее время компания предлагает свыше 40 типов этих манометров.

Чем характеризуется успех их производства?

Манометры с упругим чувствительным элементом широко распространены в сфере технических измерений давления благодаря своей прочности и простоте использования.
Они содержат чувствительные элементы, которые упруго меняют свою форму под воздействием давления.
Как правило, чувствительные элементы исполняются из медных сплавов, легированных сталей или из специальных материалов, если речь идет о специфических измерительных задачах.
Давление измеряется по отношению к исходному давлению (эталонное давление). В качестве исходного давления служит, как правило, атмосферное давление. Это означает, что манометр указывает насколько измеренное давление ниже или выше атмосферного давления, присутствующего в момент измерений (манометр избыточного давления).
Существует стандартный ряд измеряемых диапазонов, давление указывается стрелкой на циферблате.
Манометры с гидрозаполнением используются для измерения давления в услових сильных пульсаций и/или вибраций.
Функцию сигнализации можно обеспечить путем комбинирования манометра с электроконтактами.

Для автоматизации производственных процессов манометры комбинируются с датчиком выходного электрического сигнала, например 4-20 мАТрубчатые пружины представляют собой кругообразно согнутые

Манометр с трубкой Бурдона

трубки с овальным поперечным сечением. Давление измеряемой среды воздействует на внутреннюю сторону этой трубки, в результате чего овальное поперечное сечение принимает почти круглую форму.
В результате искривления пружинной трубки возникают напряжения в кольцах трубки, которые разгибают пружину. Незажатый конец пружины выполняет движение, пропорциональное величине давления. Движение передается посредством стрелочного механизма на шкалу.
Для измерений давления до 40 или 60 бар применяются, как правило, согнутые с углом витка около 2700, кругообразные пружины. Для измерений давления с более высокими значениями используются пружины с несколькими лежащими друг над другом витками и одинаковым витковым диаметром (винтовая пружина) или со спиралеобразными витками, лежащими в одной плоскости (плоская спиралевидная пружина).
Трубчатые пружины обладают сравнительно низким перестановочным усилием. Поэтому их защита от перегрузки может проводиться только с ограничениями.
Показания устнавливаются в диапазонах от 0..Д6 до 0... 7000 бар при точности показаний (классе) от 0,1 до 4,0%.

Дальнейшее развитие упругих чувствительных элементов было связано с развитием в начале 50-х годов прошлого века высоких технологий, в частности, технологий изготовления упругих элементов из плавленного кварца.
Это был достаточно дорогостоящий процесс в основном из-за высокой (2400 °С) температуры плавления и специальных методов производства, особенно, полых кварцевых трубок диаметром менее дюйма.
Однако, полезные свойства плавленного кварца, а именно - низкий коэффициент теплового расширения, химическая инертность, низкая термоэластичность и внутренняя вязкость позволили применить их в разработанном С. Уорденом гравиметре, который имел возможность за счет кварцевого чувствительного элемента измерять относительные вариацию ускорения силы тяжести в одну десятимиллионную.
Ранние работы К. Боденштейна, Дж.Дамрела и других показали возможность изготовления трубок Бурдона из плавленного кварца.
Прежде чем С. Уорден начал изготовление кварцевых трубок Бурдона в «Worden Labs» для «Ruska», он построил несколько моделей низко-го разрешения для использования в научных лабораториях У. Руска, основателя «Ruska».

В1953 году «Texas Instruments» (Tl) приобрела лаборатории С. Уордена.
В 1962 году У. Бак запатентовал высокоточный барометр, который использовал в качестве чувствительного элемента кварцевую трубку Бурдона. Однако судьба этого патента в отношении коммерческого использования неизвестна.
В то же время в начале 60-х годов работы в TI Дж.Дамрела и Дж. Фрута привели к созданию моделей 140 и 142 и документа «Новые концепции высокоточных измерений и контроля давления».
В новых приборах предлагались улучшенное разрешение, дизайн, гистерезис и переносимость по сравнению с обычными приборами измерения давления. Разрешение этих оригинальных приборов TI составляло 1 часть на 100 000.
В основе трубки Бурдона находилось кварцевое зеркало, которое использовалось для определения положения или отклонения трубки Бурдона при поступлении давления.
Источник света, направленного на зеркало, отражался обратно в пару фотоэлементов, что показывало сумму углового отклонения трубки Бурдона.
Механический цифровой счетчик указывал смещение от нулевого, которое умножалось на коэффициент масштабирования при условии,

"Riska" XR-38 Sensor

что число было пропорционально давлению, приложенному к трубке Бурдона.
Модели серии 140 быстро нашли применение в калибровочных лабораториях, требующих высокой точности и производительности.
Вначале трубки Бурдона были способны измерять давление до 500 фунтов на квадратный дюйм и использовались для измерений избыточного, абсолютного или дифференциального давлений, а также при атмосферном или повышенном давлении для измерений перепада давления.
Измерения абсолютного давления достигались путем подключения вакуумного насоса к трубке Бурдона.
Другой важной разработкой был высокоточный контроллер давления, который обеспечивал автоматический контроль давления.
Новые модели Tl LPC50, LPC100 и модели PSR100 были разработаны, чтобы использоваться в сочетании с манометрами Tl «Precision».
Модель PSR100 имела самые высокие возможности контроля давления с максимальным выходом в диапазоне от 100 фунтов на квадратный дюйм. Кварцевые трубки Бурдона были разработаны с условием взаимозаменяемости, чтобы пользователь мог легко устанавливать и удалять различные трубки в разных диапазонах давлений.
Tl «Precision» был запатентован в 1966 году и стал первым в коммерциализации высокоточных трубок Бурдона из плавленного кварца.
Примерно в то же время в «Ruska» был разработан прибор XR-38 с кварцевой трубкой Бурдона, датчик давления которого был похож на датчик TI в том, что был заключен в стеклянный корпус. Л. Линтон (главный инженер) объединился с «RayWorden» для разработки кварцевой трубки Бурдона для следующего поколения продукции «Ruska» - XR-38 - который был представлен на рынок средств измерений давления в 1968 году.

В конце 1960-х «Texas Instruments» представила второе поколение приборов с кварцевыми трубками Бурдона в виде моделей TI-145 (измеритель) и TI-156 (контроллер).
Но далее в связи с трудностями финансирования TI подразделения по манометрическим исследованиям Дж.Фрут принял решение оставить TI и основал новую компанию, деятельность которой посвящалась исключительно созданию высокочных приборов для измерений давления.
Эта новая компания стала называться «Mensor». Большинство из основателей «Mensor» работали в TI в подразделении средств измерений давления, включая отделы проектирования, производства и продаж.
«Mensor Corporation» была основана в 1969 году, чтобы поднять производство кварцевых манометров на новый уровень производительности.
«Mensor» «датчик» был похож на дизайн капсулы TI в том, что в нем также использовалось оптическое зондирование с целью устранения любых трений и тепловых эффектов при непосредственном использовании кварцевой трубки Бурдона. Также использовались круговые зеркала, прилагаемые к кварцевой трубке Бурдона, и свет отражался обратно на фотоэлементы. Когда давление прилагалось к кварцевой трубке, зеркало вращалось относительно величины приложенного давления и измерялось напряжение смещения на фотоэлементах. Процесс начинался с изготовления полых кварцевых трубок высокой чистоты (с внешним диаметром - 8 мм и внутренним - 6,5 мм). Токарный станок и множество пламенных факелов были использованы для изготовления полых кварцевых трубок Бурдона на углеродной оправке. Факелы использовались для размягчения кварцевых трубок и формирования спиралей для окончательной сборки. Точный диапазон давления определялся размером трубки.

Различные диапазоны давления имели различные сечения и разные толщины стенок. Корректировка для получения точного диапазона давления достигалось путем травления кварца плавиковой кислотой.
Винтовая кварцевая трубка Бурдона затем становилась неотъемлемой частью сборной конструкции, которая включала: кварцевое зеркало, кварцевую пружину, монтажный блок, корпус, пневматические фитинги и стеклянную капсулу. Сложность сборки прибора была на уровне создания произведений искусства.
Первый кварцевый манометр «Mensor» (QM) был представлен в 1969 году, после чего в 1970 году появился и кварцевый манометр/контроллер (QM/C).
В начале 1970-х годов QM начал использоваться для метрологических приложений в основном в калибровочных лабораториях, в авионике и в научных исследованиях. QM первым представил не прямые показания прибора.
Специальные диаграммы интерполяции были использованы для определения точных измерений давления.

Датчик давления «Mensor»

В 1972 году «Mensor» представил первый кварцевый манометрс трубкой Бурдона, который был в состоянии обеспечить прямые показания давления в единицах давления (мм рт.ст., мбар, кПа и т.д.).
В 1976 году в «Mensor» был разработан цифровой датчик давления (мод. 11 600), который также использовал трубку Бурдона из плавленного кварца.
В то время как QM и QM/C были в съемной капсуле, модель 11600 уже была несъемной.
«Mensor» также использовал трубку Бурдона из плавленного кварца в своем втором контроллере давления в 1983 году (модель PCS200).
В начале 1970-х «Ruska» решила развивать свое третье поколение манометров с использованием кварцевой трубки Бурдона. Этот прибор, известный как DDR-6000, был предназначен для точных измерений давления и контроля.
Сборка кварцевого DDR-6000 напоминала сборку гравиметра Уордена с точки зрения сложности и внешнего вида.
В 1980-х годов TI принял решение о продаже кварцевых манометров с трубкой Бурдона в «Halliburton». После короткого пребывания в «Halliburton» линия TI «Давление»

была продана «Mensor» в 1990 году. Поэтому многие из манометров, которые были разработаны первоначально учредителями «Mensor», когда они работали в TI, нашли свой путь обратно «домой» в «Mensor».
В начале 1990-х годов в «Mensor» увидели потенциальные возможности и преимущества кремниевых пьезорезистивных датчиков и начали разработку новой линии приборов для измерений давления.
В начале 1990-х годов «Mensor» продолжала продавать и обслуживать кварцевые манометры с трубкой Бурдона, в том числе и из TI продукции.
К середине 1990-х годов «Mensor» остановил свое производство кварцевых манометров с трубкой Бурдона.
За 50-летнюю историю кварцевых манометров с трубкой Бурдона Ruska в настоящее время остается единственной компанией,которая до сих пор продолжает их производство и продаж.
В 1993 году компания «Druck» приобрела «Ruska», а через три года «General Electric» (GE) приобрела «Druck».
В 2006 году компания «WIKA» приобретает компанию «Mensor» с целью объединения инновационных технологий при производстве высокоточных преобразователей давления.
В 2007 году создается подразделение «WIKA Calibration line».
Объединение инновационных технологий «WIKA» и «Mensor» в 2009 году позволило начать производство нового цифрового преобразователя давления модели СРТ6180 с характеристиками, отве-чающими последним требованиям в области высокоточных средств измерения давления:

1. инструментальная погрешность до 0,004% ИВ;
2. повторяемость до 0,002% ИВ;
3. нелинейность до 0,002%;
4. расширенная неопределенность (к = 2, 95%) до 0,01% ИВ.

ХРОНОЛОГИЯ

1944 «Ruska» основана в Хьюстоне, штат Техас
1940 С. Уорден изобрел кварцевый гравиметр
1953 «Texas Instruments» приобретает «Worden Labs»
1960 «Texas Instruments» выпускает кварцевый манометр (мод.140)
1960 «Ruska» начинает работы над кварцевыми манометрами
1960 «Worden Labs» создает кварцевую винтовую трубку Бурдона
1964 «Ruska» приобретает «Worden Labs»
1966 П. Дамрел и Дж.Фрут патентуют в «Texas Instruments» кварцевые манометры

1968 «Ruska» запускает в производство кварцевый манометр (мод. XR-38) и тестер давления мод. 3820

1969 Основание компании «Mensor» в Хьюстоне, штат Техас

Cтраница 1

Манометры Бурдона имеют шкалу с 1 000 делениями и по точности показаний сопоставимы с жидкостными манометрами. Температура рабочей воды в стенде при кавитационных исследованиях поддерживается постоянной посредством периодической подачи свежей воды из бассейна в напорный бак центробежным насосом с электродвигателем мощностью N80 кет.  

Манометры Бурдона изготавливаются также из стекла и кварца. Два типа таких манометров (мембранный и спиральный) показаны на рис. 2.12. Первый из них снабжен полой мембраной, формой и размерами напоминающей чайную ложку, искривленные поверхности которой и являются элементами, воспринимающими давление. К ручке ложки прикреплена длинная стрелка, позволяющая значительно усиливать смещения, возникающие при изменениях кривизны поверхности из-за изменения разности давлений внутри и снаружи мембраны.  

Манометры Бурдона могут быть выполнены и для измерения низких давлений, но такими приборами в практике физических исследований пользуются редко.  

Преимущество манометров Бурдона в их низкой стоимости; однако внутренний объем их велик и в связи с тем, что они имеют устройство непроточного типа, затруднено быстрое промывание их.  

У манометра Бурдона (рис. 21) кольцеобразная трубка с эллиптическим сечением сообщается одним концом с сосудом, в котором заключен газ, имеющий избыточное давление. Другой конец крепится к корпусу. Под действием давления трубка стремится расправиться и через передаточный механизм передвигает стрелку по шкале.  

Хотя точность манометров Бурдона недостаточна для научных исследований, все же нельзя совершенно отказаться от их применения. Наиболее точным и надежным манометром для измерения высокого давления является, пожалуй, манометр с противовесом ил свободным поршнем, разработанный Амага. Давление газа на столб масла в резервуаре передается нижней части цилиндрического поршня, помещающегося в цилиндре. Давление газа удерживается в равновесии градуированным грузом, давящим сверху на поршень.  

Оба типа манометров Бурдона предназначены для работы в системах с агрессивными газами. Чаще всего их используют в качестве так называемых нуль-инструментов. В некоторых промышленно выпускаемых образцах для усиления механического движения мембраны применяют электрические схемы с емкостными или индуктивными элементами, которые удобны Для работы в дифференциальном режиме и позволяют измерять разности давлений порядка 10 2 торр.  

Давление измеряют манометром Бурдона или преобразователем давления.  

Похожие статьи