Трубчато-пружинные манометры

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЙ И РАЗРЕЖЕНИЙ

§ 1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ

Давление является одним из параметров, характеризующих юту технологических объектов и ход технологических процессов нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей и нефтехимической отраслей промышленности. В процессе бурения нефтяных и газовых скважин необходимо наблюдать за давлением, при котором промывочная жидкость нагнетается в бурильные трубы. Давление на буфере фонтанной арматуры и в затрубном пространстве определяет режим эксплуатации фонтанной скважины. Давление, поддерживаемое в сепараторе, определяет глубину сепарации газа из газонефтяной смеси. Поддержанием давления на определенном уровне, при котором вода подается в нагнетательные скважины системы поддержания пластовых давлений, обеспечивается закачка воды в пласт.

При управлении процессами переработки нефти и газа давление .является одним из параметров, определяющих характер функционирования технологических объектов. Давление определяется силой, приходящейся на единицу поверхности. При определении величины давления принято различать абсолютное давление, или полное, и избыточное давление, или относительное. Такое различие в определении давления вызвано тем, что все процессы, происходящие в природе, находятся под воздействием атмосферного давления.

Абсолютным давлением называется давление, отсчитываемое от абсолютного нуля. Оно равно сумме давлений атмосферного и избыточного. В технике обычно измеряют избыточное давление. Это объясняется тем, что приборы, если они не изолированы от атмосферы, могут показывать только избыточное давление.

В Международной системе единиц за единицу давления принят паскаль (Па) — давление, которое испытывает 1 м² плоской поверхности под действием равномерно распределенной, перпендикулярной к этой поверхности силы в 1 Н. Кратными единицами давления являются килопаскаль (кПа), мегапаскаль (МПа) и др.

По назначению все приборы для измерения давления можно разделить на следующие группы: манометры избыточного давления для измерения разности между абсолютным и атмосферным давлением; манометры абсолютного давления для измерения давления, отсчитываемого от абсолютного нуля; вакуумметры, предназначенные для измерения абсолютного давления ниже атмосферного (разрежения); мановакуумметры, предназначенные для измерения избыточного давления и разрежения; дифференциальные манометры (дифманометры) для измерения разности двух давлений, ни одно из которых не является давлением окружающей среды; барометры — манометры абсолютного давления, предназначенные для измерения давления атмосферы.

По принципу действия приборы для измерения давления и разрежения можно разделить на следующие группы: жидкостные манометры, в которых измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением столба жидкости; грузопоршневые манометры, в которых измеряемое давление или разность давлений уравновешивается давлением, создаваемым массами поршня и грузов; деформационные манометры, в которых измеряемое давление или разность давлений определяется по деформации упругого чувствительного элемента или развиваемой им силе; электрические манометры, действие которых основано на зависимости электрических параметров манометрического преобразователя от измеряемого давления; радиоактивные манометры, в которых измеряемое давление вызывает соответствующее изменение ионизации, производимой излучениями или рекомбинацией ионов.

Жидкостные и поршневые манометры применяются преимущественно для проверки и градуировки приборов, а также при лабораторных исследованиях. Использование их в производственной практике весьма ограничено, поэтому в учебнике они не приводятся.

ДЕФОРМАЦИОННЫЕ МАНОМЕТРЫ

Преимуществом деформационных манометров являются: портативность, надежность применения в условиях тряски, толчков и большой диапазон измерения — от десятков до десятков тысяч Па. По типу чувствительного элемента, применяемого в приборе, различают трубчато-пружинные, многовитковые (геликоидальные), мембранные, сильфонные и анероидные манометры.

Деформационные приборы для измерения давления и разрежения в различных производственных процессах изготовляют как образцовые, так и рабочие.

Трубчато-пружинные манометры

В трубчато-пружинном манометре упругим чувствительным элементом является трубчатая пружина. Схема устройства трубчато-пружинного манометра приведена на рис. 7.1,а.

Упругий элемент этого прибора представляет собой согнутую по кругу полую трубку 5, имеющую в сечении форму эллипса или удлиненного овала. Один конец этой трубки впаян в держатель 11, второй конец заглушен пробкой 9. Держатель прикреплен к корпусу 4 манометра винтами и имеет выступающий из корпуса штуцер 1 с резьбой, посредством которого подсоединяют прибор к измеряемой среде. Внутри штуцера имеется канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки 5. В верхней части держателя расположена площадка, на которой смонтирован передаточный механизм. Свободный конец трубки шарнирно соединен с поводком 10, второй конец которого также шарнирно связан с зубчатым сектором 8. Сектор может свободно вращаться вокруг оси, проходящей через его середину и фиксированной в отверстиях нижней и верхней пластин механизма 7.

Сектор 8 зубчатым зацеплением соединен с трибкой (маленькой шестерней), не видимой на рисунке. Трибка жестко сидит на оси, проходящей через те же пластины, что и ось сектора.

Чтобы избежать мертвого хода, к трибке присоединен упругий металлический волосок 6, другой конец которого крепится к какой-либо неподвижной части манометра. Таким образом, трибка всегда прижата к сектору силой упругости волоска, поэтому в зацеплении нет зазоров, которые являются причиной мертвого хода. На ось трибки плотно насажена стрелка 2. Под действием давления трибка раскручивается и тянет поводок, который поворачивает сектор 8 вокруг оси. Поворачиваясь, сектор вращает трибку с насаженной на ее ось стрелкой, указывающей на шкале 3 величину измеряемого давления.

Манометр регулируют изменением длины поводка и перемещением точки его соединения с хвостовиком сектора. Трубчатая пружина при увеличении давления распрямляется по следующим причинам. С повышением давления пружина в поперечном сечении стремится раздуться (рис. 7.1, б). При этом малая ось эллипса увеличивается, в то время как длина пружины остается неизменной. Это вызывает раскручивание ее. Принцип работы трубчатой пружины понятен из следующих рассуждений. Введем обозначения: и до деформации, соответственно после деформации. Поскольку при

малом раскручивании трубки можно принять, что длина ее при деформации остается неизменной, то справедливым будет равенство и . Вычитая из первого равенства второе, получаем

(7.1)

Обозначим - малую ось эллипса трубки до и после деформации — соответственно .

Тогда равенство (7.1) примет вид

(7.2)

Так как по принятому условию , то, следовательно, , т. е. трубчатая пружина с увеличением давления будет распрямляться.

Полагая, что

(7.3)

и подставляя (7.3) в (7.2), получаем

(7.4)

Решая уравнение (7.4) относительно , получаем

(7.5)

Из формулы (7.5) следует, что будет тем больше, чем больше первоначальный угол закручивания и чем меньше малая ось эллипса. Пружина круглого сечения с увеличением внутреннего давления распрямляться не будет, так как для нее , следовательно, и будет равно нулю.

В зависимости от назначения пружинные манометры делятся на образцовые, контрольные и технические (общего назначения и специальные). По конструкции эти манометры мало отличаются друг от друга. Основное отличие этих манометров — качество упругого элемента (трубчатой пружины) и различная тщательность отделки деталей прибора.

Образцовые манометры являются приборами 3-го разряда и предназначены для поверки контрольных и технических манометров, а также для точных измерений. Допустимая погрешность 0,2 и 0,35%. Чувствительность 0,04—0,05% от предельного значения шкалы. Шкала круговая, чаще в угловых градусах, иногда именованная.

Контрольные манометры служат для поверки рабочих технических манометров на месте их установки (в рабочем состоянии, без монтажа). Допустимая погрешность этих манометров ±1,0%.

Технические манометры общего назначения служат для измерения давлений нейтральных взрывобезопасных некристаллизирующихся жидкостей и газов с температурой в пределах от —20 до +60° С.

Отечественная промышленность выпускает манометры для измерения давлений и разрежений, вакуумметры и мановакуумметры.

Устройство вакуумметра аналогично устройству манометра. Различие заключается в меньшей упругости пружины. При разрежении пружина скручивается и стрелка вакуумметра движется против часовой стрелки. На шкале вакуумметра нулевая отметка справа.

Мановакуумметры предназначены для измерения переменных давлений, которые могут быть больше и меньше атмосферного. На шкале мановакуумметра нуль в средней части. Делениям шкалы вправо от нуля соответствуют единицы давления, деления шкалы влево от нуля указывают разрежение. Деления манометрической части шкалы соответствуют единицам давления и выражены в Па (или кгс/см²); делениям вакуумметрической части шкалы соответствуют разрежения давлений и выражены в мм рт. ст. На шкалах могут быть нанесены отметки, соответствующие максимальному рабочему давлению. В манометрах, устанавливаемых на котельных установках, такая отметка в виде красной черты наносится против максимально допустимого давления, разрешенного инспекцией котлонадзора. Для фиксирования максимального давления в манометрах иногда ставят контрольную стрелку.

Промышленность выпускает следующие показывающие трубчато-пружинные манометры. (МП), вакуумметры (ВП), мановакуумметры (МВП), предназначенные для измерения давления и разрежения неагрессивных газов, паров и жидкостей.

Тип прибора Пределы измерений, МПа (кгс/см²)

МПЗ……………………………0,06+60 (0,6+600)

МП4, МП5………………….0,06+160 (0,6+1600)

ВП4, ВП5 ………………….—0,06+0 (—0,6+0);

—0,1+0(—1+0)

МВПЗ, МВП4, МВП5 —0,1+2,4 (—1 + 24)

Выпускаются также самопишущие трубчато-пружинные манометры МТС-711 с записью одного параметра, двухзаписной МТ2С-711 с приводом диаграммы от синхронного двигателя, МТС-712 с записью одного параметра, двухзаписной МТ2С-712 с приводом диаграммы от часового механизма.

Двухзаписные приборы предназначены для измерения давления в двух объектах. В таких приборах имеются две независимые измерительные пружины и два держателя с перьями, записывающими измеряемые параметры на одной диаграмме.

Для сигнализации заданной величины контролируемого давления выпускаются контактные манометры. В отличие от обычного показывающего манометра в этом приборе имеются два электрических контакта, которые замыкаются при определенных заданных величинах давления, передавая при этом по проводам соответствующий сигнал. Пределы, при которых подаются сигналы, устанавливаются перемещением контактных стрелок с помощью двух головок, выведенных наружу через стекло и помещенных над осью вращения стрелки прибора. Электрическая часть контактных манометров может питаться постоянным или переменным током. Для безопасности корпус контактного манометра имеет особую клемму, которая должна быть соединена с землей.