Измерение давления в металлургических процессах

Давлением называется сила, нормально приложенная к единице площади. Различают следующие виды давления: атмосферное или барометрическое (Pб — давление окружающего воздуха), избыточное (Р — разность между абсолютным давлением и барометрическим), абсолютное (Pа — полное давление, под которым находится вещество), разрежение (Pр — разность между барометрическим и абсолютным давлением). В случае проведения точных расчетов следует иметь в виду порой существенные отклонения барометрического давления от стандартного атмосферного. Глубокое разрежение называют вакуумом. Приборы также различают по роду измеряемой величины. Для измерения атмосферного давления применяют барометры. Избыточное давление определяют манометрами, микроманометрами, напоромерами. Разрежение и вакуум измеряют вакуумметрами, тягомерами, разность давлений — дифференциальными манометрами. По принципу действия приборы делятся на жидкостные, пружинные, поршневые и др.
Жидкостные манометры.
В этих приборах измеряемое давление уравновешивается столбом жидкости Они подразделяются на манометры с U-образной трубкой, чашечные, с наклонной трубкой и кольцевые весы.
U-образные манометры являются наиболее простыми по конструкции и надежными в эксплуатации. Их применяют для измерения небольших давлений (196,1 Н/м2), разрежений и перепадов давления. Принцип действия такого прибора основан на уравновешивании измеряемого давления давлением, создаваемым столбом рабочей жидкости (ртуть, спирт, реже — масло, вода).

На рис. 110 показана конструкция U-образного манометра. При измерении давления или разрежения один конец трубки присоединяют к источнику давления (разрежения), а второй свободно сообщается с атмосферой. В зависимости от того, измеряется ли избыточное давление или разрежение, уровень рабочей жидкости в трубке, сообщающейся с атмосферой, в первом случае повысится, а во втором понизится. При измерении перепада давлений концы трубок подключают к областям с различным давлением.
Показания прибора определяют по миллиметровой шкале. Они зависят от разности вьсот уровней рабочей жидкости в коленах трубки H = h1 + h2, ее плотности у и температуры и не зависят от поперечного сечения трубки.

Чашечные манометры (рис. 111) являются разновидностью U-образных манометров, отличаясь тем, что у них второе колено заменено сосудом (чашкой) диаметром, примерно в 20 раз большим, чем у стеклянной трубки. Поэтому при незначительном изменении уровня жидкости в чашке значительно изменяются уровни жидкости в трубке. К штуцеру чашки подсоединяется шланг, связанный с измеряемым давлением, в верхний конец стеклянной трубки имеет выход в атмосферу. При измерении чашечным манометром отсчет H берут по положению мениска в трубке.
Для измерения микродавлений и макроразрежений применяют чашечные манометры с наклонной стеклянной трубкой (рис. 111, б). Чем меньше угол наклона стеклянной трубки, тем больше ее длина. По этому малому снижению уровня жидкости в чашке соответствует значительное перемещение жидкости по наклонной трубке, что позволяет измерять малые давления. Однако на практике угол а не делают меньше 15е, так как при меньших углах мениск вытянут, из-за чего усложняется взятие отсчета. Величина измеряемого микроманометром давления P = Ly sin а.

Кольцевые весы являются наиболее чувствительными жидкостными приборами для измерения разности давлений (рис. 112). Они представляют собой металлическую трубку 3 круглого сечения, согнутую в кольцо, которая посредством соединительной планки 5 и призмы опирается на опору 2. Нижняя часть кольца заполнена рабочей жидкостью, а вверху имеется перегородка 6, по обеим сторонам которой размещены подводные штуцеры. Внизу кольца укреплен груз L Камера кольца, обозначенная знаком «+», через штуцер и трубку подключена к области измеряемого давления, а камера со знаком «—» соединена с атмосферой. Вследствие разности давлений в камерах «+» и «—» изменяется положение уровней жидкости и на перегородку начинает действовать вращающий момент. До восстановления состояния равновесия от действия сил массы груза, с одной стороны, и разности уровней жидкости, с другой, кольцо с соединительной планкой и стрелкой будет поворачиваться вокруг опоры. Отсчет показаний производится по шкале 4.
Пружинные манометры
Для измерения избыточного давления, разрежения и вакуума наибольшее распространение в технике получили пружинные манометры.
Они просты по устройству, дешевы и надежны в эксплуатации. Чувствительными элементами этих приборов могут быть: серповидная трубчатая пружина, многовитковая трубчатая пружина, плоская мембрана и гармониковая мембрана. Общий принцип действия пружинных манометров состоит в том, что под действием измеряемого давления чувствительный элемент деформируется и посредством передаточно-множительного механизма деформация преобразуется в круговое движение стрелки вдоль шкалы. При этом перемещение стрелки будет пропорционально деформации чувствительного элемента, а следовательно, и измеряемому Давлению.
Манометр с серповидной трубчатой пружиной (рис. 113). Чувствительный элемент — трубчатую пружину — изготовляют из фосфористой (иногда бериллиевой) бронзы или латуни, а для давлений свыше 19600 ГН/м2 — из стали.

Трубчатая пружина 1 одним концом впаяна в держатель 2, заканчивающийся ниппелем 3 с резьбой, а второй конец запаян и шарнирно связан с передаточно-множительным механизмом. В состав этого механизма входят поводок 4, сектор 5 и трибка 6, на ось которой надета стрелка 7. Для устранения «мертвых» ходов (люфтов) служит спиральная пружина 8. Действие прибора основано на том, что полая трубчатая пружина, имеющая форму овала, под действием внутреннего давления стремится принять цилиндрическую форму и одновременно из серповидной стать прямолинейной. Раскручиваясь, пружина посредством передаточно-множительного механизма воздействует на стрелку.
Практически трубка под действием измеряемого давления цилиндрической никогда не становится, а величина ее раскручивания не превышает 10°. Класс точности рабочих манометров 1,5; 2,5; 4.
Для проверки рабочих манометров на месте их установки, а также для проведения более точных измерений используют контрольные манометры. Эти манометры более тщательно изготовлены и имеют класс точности 0,5 и 1,0.
Вакуумметры имеют конструкцию, аналогичную манометру с трубчатой пружиной (могут быть сильфонные и мембранные), с той лишь разницей, что конец пружины при измерении вакуума не расскручивается, а, наоборот, закручивается. Это происходит вследствие того, что атмосферное давление более высокое, чем давление внутри трубки, сплющивает ее в еще большей степени, а следовательно, и закручивает свободный конец трубки. Шкала вакуумметра отградуирована в мм рт. ст.
Мановакуумметрами измеряются давления больше и меньше атмосферного. Правая часть делений шкалы такого прибора служит для измерения давления, а левая — для разрежения. Соответственно правая часть шкалы проградуирована в единицах давления (кгс/см2), а левая — в единицах разрежения (мм рт. ст).
Электроконтактные манометры. Для измерения давления и разрежения и одновременно для сигнализации о достижении измеряемым параметром минимально или максимально допустимого значения применяют манометры с электрическими контактами.
Измерительная система такого манометра аналогична манометру с трубчатой пружинок. Ho, помимо одной показывающей стрелки, такие манометры имеют еще две стрелки — уставки с электрическими контактами. Положение этих стрелок оператор может менять, поворачивая головку, выведенную за защитное стекло наружу. Обычно одну стрелку-уставку устанавливают на минимально допустимое давление, а вторую — на максимально допустимое. В процессе измерений показывающая стрелка, поравнявшись с одной из стрелок-уставок, замыкает контакты, в результате чего посылается импульс в сигнальное устройство или исполнительный механизм. Класс точности этих манометров 2,5.
Манометр с многовитковой трубчатой пружиной. Чувствительным элементом такого прибора является многовитковая трубчатая пружина — геликс, расположенная по спирали с числом витков от 2,5 до 9. В связи с тем, что геликс представляет собой как бы ряд последовательно соединенных серповидных трубчатых пружин, свободный его конец может раскручиваться до 50—60°, что обеспечивает большую чувствительность и точность измерений. Класс точности таких приборов 1,5.
Мембранные манометры
Эти приборы могут быть с плоской, плоско-гофрированной и гармониковой (сильфоны) мембраной. Первый тип приборов применяют для измерения невысоких давлений (2,45 МПа) и разрежений (0—0,1 МПа), что вызвано предельно допустимыми значениями остаточных деформаций чувствительного элемента, в качестве которого служит тонкая стальная мамбрана с антикоррозионным покрытием. Будучи зажатой между фланцами корпуса, она воспринимает одностороннее действие давления и при этом деформируется. Прогиб мембраны посредством передаточно-множительного устройства преобразуется в движение стрелки. Так как максимальное перемещение центральной части мембраны не превышает 1,5—2 мм, то передаточно-множительное устройство имеет большое передаточное число, что снижает чувствительность и точность измерений. Значительно большая подвижность мембраны у сильфонов. В связи с этим их обычно используют для замеров низких давлений (от 29420 до 0,49 МПа).

Упругий элемент сильфонов (рис. 114) имеет вид цилиндрической гармоники 1, помещенной в закрытый корпус 2. К корпусу подводят измеряемое давление, с изменением которого сильфон сжимается или растягивается. Во внутреннюю полость сильфона, сообщающуюся с атмосферой, вставлена пружина 3, противодействующая его сжатию. В донную часть сильфона упирается шток 4, воздействующий через передаточно-множительное устройство на стрелку прибора. Таким образом, измеряемое давление вызывает сжатие сильфона и, в конечном счете, поворот стрелки. Сильфонные манометры выпускаются классов точности 1 и 1,5.
В системах автоматического контроля давления и вакуума очень удобны приборы, в которых измеряемое давление при помощи специальных датчиков преобразуется в соответствующий электрический сигнал. Принцип действия этих приборов основан на изменении различных электрических свойств. Также силовые сигналы жидкостных и пружинных манометров преобразуются в электрические сигналы.
Манометры сопротивления. Эти приборы применяют для измерения высоких и сверхвысоких давлений, достигающих 3 ГПа. Действие прибора (рис. 115) основано на изменении электрического сопротивления проводников (например, манганина) в зависимости от приложенного внешнего давления. В металлическом корпусе 1 расположена катушка сопротивления из манганина 2. Полость, в которой расположена катушка, тщательно герметизирована от внешней среды. С объектом исследований датчик соединяется ниппелем 3. Катушка подключается к вторичному прибору (обычно мост).

Пьезоэлектрические манометры позволяют измерять быстропеременные давления до 10 кПа и выше. Они основаны на свойстве кристаллов кварца и турмалина под действием давления возбуждать электрический заряд, величина которого пропорциональна давлению (рис. 116). Цилиндрический корпус 1 соединен с объектом исследования через ниппель 2. В нижней части корпуса помещена мембрана 3, на которой установлена шайба 4. На подкладку положена кварцевая пластина 5, выше шайба 6, вторая кварцевая пластина и шайба 7, которая прижимается к корпусу через шарик 8. Кварцевые пластины расположены так, что положительные заряды приложены к шайбам 4 и 7, а отрицательные — к шайбе 6. Заряд с шайбы 6 снимается через электрод 9, выходящий наружу через янтарный изолятор 10. Для измерения пьезоэлектрических зарядов применяют электрометры или электрометрические усилители с выходом на обычный измерительный прибор либо на шлейфовый осциллограф.