ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПРИБОРЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ
Устройства для измерения давления и разности (перепада) давлений получили общее название манометры. По назначению их классифицируют следующим образом:
барометры - для измерения атмосферного давления (отсюда атмосферное давление иногда называют барометрическим);
манометры абсолютного давления - для измерения абсолютного давления;
манометры избыточного давления (сокращенно в практике их называют манометрами) - для измерения избыточного давления;
вакуумметры - для измерения вакуумметрического давления, т.е. давления ниже атмосферного (в практике применяется термин - разрежение);
напоромеры и тягомеры - для измерения малых (до 40 кПа) соответственно избыточного давления и вакуум-метрического давления (разрежения) газовых сред;
мановакуумметры - для измерения избыточного и вакуумметрического давлений одновременно;
тягонапоромеры - для измерения малых (до 40 кПа) давлений и разрежений газовых сред одновременно;
дифференциальные манометры (дифманометры) - для измерения разности (перепада) давлений;
микроманометры - для измерения очень малых давлений (ниже и выше барометрического) и незначительной разности давлений.
.Чувствительные элементы всех манометров воспринимают два давления и вырабатывают сигнал, пропорциональный их разности. У манометров избыточного давления, вакуумметров, тягомеров и напоромеров одно из давлений обычно равно атмосферному. Дифманометры также могут использоваться для измерения как избыточного, так и вакуумметрического давлений, если один из двух штуцеров для подвода давлений соединить с атмосферой.
Применяемые в доменном и сталеплавильном производствах манометры по принципу действия можно разделить на две основные группы: жидкостные и с упругими чувствительными элементами (деформационные).
Жидкостные манометры (рис. 2.1) всех систем заполняются жидкостью таким образом, чтобы над жидкостью были образованы две полости, воспринимающие давление.
Рисунок 2.1 – Жидкостные манометры
В жидкостных манометрах величина измеряемого давления определяется по высоте столба жидкости или по силе, образующейся за счет действия давления на поверхности сосудов. К приборам первой группы относятся U- образные (двухтрубные), чашечные (однотрубные) и поплавковые манометры, к приборам второй группы - колокольные.
U- образный (двухтрубный) манометр (рис 2.1, а) состоит из одной прозрачной трубки, согнутой в виде латинской буквы U (или двух трубок, соединенных в нижней части). Трубки вертикально укреплены на основании и по всей их высоте нанесена двусторонняя шкала с нулем посредине. Трубки заливают жидкостью (обычно водой или ртутью, а иногда спиртом или трансформаторным маслом) до нулевой отметки. При применении U- образный манометр должен устанавливаться вертикально по отвесу. Отсчет производят по разности уровней жидкости в обеих трубках, что не всегда удобно.
Обычно с помощью U- образного манометра давление, разрежение или разность давлений измеряют в миллиметрах водяного или ртутного столба. Результат измерения может быть выражен не в миллиметрах столба рабочей жидкости, а в паскалях.
Если отсчет высоты столба жидкости по U- образному прибору производят невооруженным глазом, то при цене деления шкалы в 1 мм, при отсчете в двух коленах, пределы допускаемой основной погрешности измерения давления, разрежения или разности давлений не превышают ± 2 мм столба рабочей жидкости. Для увеличения точности отсчета высоты столба рабочей жидкости U- образные приборы снабжают зеркальной шкалой В этом случае пределы допускаемой основной погрешности показаний не превышают ± 1 мм столба рабочей жидкости. Промышленностью выпускаются двухтрубные манометры типа ДТ-5 и ДТ-50.
Чашечный (однотрубный) манометр (рис. 2,б) состоит из цилиндрического сосуда и сообщающейся с ним измерительной стеклянной трубки. При этом диаметр сосуда, а следовательно, и площадь его сечения значительно больше диаметра трубки (обычно отношение 1/400). При измерении давления в объекте его соединяют с цилиндрическим сосудом, а измерительную трубку соединяют с атмосферой. При измерении разрежения измерительную трубку соединяют с объектом, а сосуд с атмосферой При измерении разности (перепада) давлений большее давление подается в сосуд, а меньшее - в измерительную трубку.
Величиной 1/400 ввиду ее малости на практике пренебрегают и отсчет ведут по столбу жидкости только в одной измерительной трубке, что упрощает измерение по сравнению с U- образным манометром. При цене деления шкалы в 1 мм отсчет высоты столба в измерительной трубке может быть произведен с погрешностью, не превышающей ± 1 мм столба рабочей жидкости.
Промышленностью выпускаются однотрубные манометры типа ТДЖ и ММН-240.
Поплавковые манометры (рис. 2.1, в) работают по принципу рассмотренных выше чашечных манометров. В поплавковом манометре имеется два располагаемых U- образно сосуда, соединенных между собой трубкой. Большее давление подводится к широкому сосуду, в котором на поверхности рабочей жидкости (ртути или трансформаторного масла) находится поплавок. Перемещение поплавка, зависящее от величины разности (перепада) давлений, передается стрелке отсчетного и регистрирующего устройств прибора. Поплавковые манометры в настоящее время уже не выпускают, хотя в эксплуатации на металлургических заводах они еще имеются.
В колокольных манометрах (рис. 2.1, г) чувствительным элементом является тонкостенный стальной колокол, подвешенный на винтовой пружине. Колокол свободно плавает в разделительной жидкости (трансформаторное масло) будучи частично погруженным в нее. Разделительная жидкость отделяет камеру большего давления («плюсовую») под колоколом от камеры меньшего давления («минусовой») над колоколом. Под действием разности давлений колокол и кинематически связанная с ним подвижная часть передающего преобразователя перемещаются до тех пор, пока усилие от приложенной к колоколу разности давлений не уравновесится упругими силами винтовой пружины Перемещение подвижной части передающего преобразователя приводит к изменению выходного сигнала. Промышленностью выпускаются колокольные манометры типа ДКО.
Поплавковые и колокольные дифманометры предназначены для измерения перепада давлений, т.е. для работы в качестве дифманометров
Действие манометров (рис. 2.2) с упругими чувствительными элементами (деформационных) основано на использовании деформации или и изгибающего момента упругих чувствительных элемент он, воспринимающих измеряемое давление и преобразующих его в перемещение или усилие. Манометры этого типа широко применяют в диапазоне измерений от 50 Па до 1000 МПа. Они выпускаются в виде тягомеров, напоромеров, тягонапоромеров, манометров, вакуумметров и мановакуумметров.
Рисунок 2.2 – Деформационные манометры
В качестве упругих чувствительных элементов используются трубчатые пружины, мембраны, сильфоны и вялые мембраны.
Одними из наиболее распространенных являются трубчато-пружинные манометры с одновитковой трубчатой пружиной (рис. 2.2, а). Трубчатая пружина представляет собой изогнутую трубку, имеющую эллиптическое или плоскоовальное поперечное сечение (такие пружины называют пружинами Бурдона). Один конец трубчатой пружины, сообщающийся с измеряемой средой, закрепляют неподвижно, а другой - свободный, закрытый пробкой и запаянный, - соединяют с механизмом показаний прибора, передающим преобразователем или другим устройством. Под действием внутреннего давления пружина стремится уменьшить свою кривизну, вследствие чего ее свободный (запаянный) конец перемещается. Это перемещение передается на отсчетное или регистрирующее устройство манометра, либо воспринимается передающим преобразователем (на рис. 3, а изображен показывающий прибор, имеющий передающий преобразователь)
Некоторые модификации манометров снабжаются контактным устройством, срабатывающим при достижении измеряемой величиной заданного значения Эти приборы называются электроконтактными манометрами.
Промышленностью выпускаются трубчато-пружинные манометры типа ОБМ, МТП, ЭКМ.
В мембранных напоромерах (типа НМП), тягомерах (ТМП) и тягонапоромерах (ТНМП) упругий чувствительный элемент выполняется в виде мембранной коробки (рис. 2.2, б), состоящей из двух спаянных по периметру дисковых металлических гофрированных мембран. Внутренняя полость мембранной коробки сообщается со средой с большим давлением. Под воздействием разности атмосферного и измеряемого давлений мембранная коробка сжимается или разжимается, что передается стрелке отсчетного устройства манометра.
В сильфонных манометрах (рис. 2.2, в) упругий чувствительный элемент выполнен в виде сильфона, представляющего собой гофрированную тонкостенную металлическую трубку, открытую с одной стороны. Сильфон помещается в камеру, в которую подводится измеряемое давление. Изменение величины этого давления вызывает упругую деформацию сильфона и находящейся в нем винтовой пружины. Перемещение дна сильфона передается регистрирующему устройству прибора. Сильфонные манометры в настоящее время уже не выпускаются, хотя в эксплуатации они еще имеются (типа МСС).
Принципиальные схемы деформационных дифференциальных манометров представлены на рис. 2.3. У мембранного дифманометра (типа ДМ) упругим чувствительным элементом является мембранный блок (рис 2.3, а), состоящий из двух заполненных дистиллированной водой мембранных коробок, закрепленных с обеих сторон в основании. Основание с верхней и нижней крышками корпуса прибора образует две камеры: нижнюю - плюсовую и верхнюю - минусовую Внутренние полости мембранных коробок сообщаются через отверстие в перегородке. Большее давление подводится к нижней камере, а меньшее к верхней Под действием разности давлений нижняя мембранная коробка сжимается, вытесняя находящуюся в ней воду в верхнюю коробку. Последняя расширяется, что воспринимается передающим преобразователем.
Рисунок 2.3 - Принципиальные схемы деформационных дифференциальных манометров
Чувствительным элементом дифманометра (типа ДМИ, ДМЭ), представленного на рис. 2.3, б, является вялая (мягкая) неметаллическая мембрана с жестким центром, работающая совместно с винтовой цилиндрической пружиной. Мембрана, укрепленная между двумя крышками корпуса прибора, образует две камеры, в которые подводятся давления. Под действием разности давлений жесткий центр мембраны и связанный с ним шток сердечника преобразователя перемещаются до тех пор, пока сила, вызываемая разностью давлений, не уравновесится силой упругости винтовой пружины. Преобразователь вырабатывает сигнал измерительной информации, пропорциональный измеряемой разности давлений.
У сифонного дифманометра типа ДСС (рис 2.3, в) чувствительный элемент состоит из расположенных на общем основании двух сильфонов, донышки которых жестко связаны между собой штоком, а внутренние полости заполнены кремнийорганической жидкостью. Под действием разности давлений сильфоны начинают деформироваться, вызывая перемещение штока, кинематически связанного с компенсационным преобразователем.
К месту измерения давления на технологическом трубопроводе или металлическом кожухе технологического аппарата должна быть приварена закладная конструкция (например, штуцер), к которой присоединяется импульсная линия, направляемая к приборам.
Поскольку при измерении давлений и разрежений могут возникнуть дополнительные погрешности за счет влияния динамического напора движущейся струи, отборные устройства следует размещать в местах, где скорость движения среды наименьшая, поток плавный, без завихрений, т.е. на прямолинейных участках трубопроводов, при максимальном расстоянии от запорных и регулирующих устройств, колен, компенсаторов и других гидравлических сопротивлений.
Отборные устройства нельзя устанавливать на коленах трубопровода, так как при этом возникает дополнительная погрешность, вызванная центробежными силами. Отборные устройства должны подключаться к технологическим агрегатам и трубопроводам таким образом, чтобы обеспечивалось удаление воздуха из соединительных линий, заполненных жидкостями, или удаление конденсата из линий, заполненных газом. Поэтому отборы давления жидкостей и пара на горизонтальном или наклонном трубопроводе подключают сбоку или ниже горизонтальной оси трубопровода и во всех случаях с уклоном таким образом, чтобы воздух или газ, выделяющийся из жидкости в соединительной линии к измерительному прибору, имели свободный выход в трубопровод.
В верхнюю и нижнюю части трубопровода отборы подключать не следует, потому что в первом случае в соединительные линии могут попасть воздух или газ, а во втором случае - выпавшие из жидкости осадки.
Отборы давления (разрежения) газа и воздуха в горизонтальном или наклонном трубопроводе вваривают выше горизонтальной оси в верхней части трубопровода и во всех случаях с уклоном, обеспечивающим слив конденсата в трубопроводы. Конструкция отборов должна предусматривать возможность их очистки Для этого трубы отборных устройств давления (разрежения) снабжаются заглушкой, отвинтив которую можно прочистить отборное устройство.
На металлургических объектах часто приходится измерять давление и разрежение в запыленных средах. При этом возможно отложение твердых частиц (пыли) в соединительных линиях, а также попадание пыли непосредственно в измерительный прибор. Поэтому в таких случаях отборные устройства снабжают специальными пылеуловителями - циклонами, в значительной степени ограничивающими попадание пыли в соединительную линию или прибор.
На рис. 2.4 показана схема установки отборных устройств для запыленных сред с циклонами. Трубка отбора давления приваривается к металлической стенке агрегата. Другой конец ее входит в пылеуловитель - циклон. Перед попаданием в импульсную линию поток измеряемой среды изменяет свое направление (на рис. 2.4 показано стрелками), при этом частицы пыли и влаги осаждаются в нижней части циклона. Отсюда они удаляются при открытии заглушки. Для уменьшения количества пыли, попадающей в отборное устройство, линия между технологическим трубопроводом и циклоном прокладывается под углом 45°.
Рисунок 2.4 - Схема установки отборных устройств для запыленных сред с циклонами.
При отборе импульса давления (разрежения) дымовых газов отборное устройство следует устанавливать в месте с наименьшей концентрацией твердых частиц в вертикальном или наклонном положении для предупреждения скапливания влаги и пыли в трубке отбора давления.
Передача давления (разрежения) к измерительному прибору производится через разделители жидкостные и мембранные в случаях, когда измеряемая среда (жидкость или газ) действует разрушающе на материалы, из которых изготовлен чувствительный элемент измерительного прибора; имеет высокую вязкость или загрязненность; пожаро- или взрывоопасна, а дифманометр по условиям эксплуатации установлен на значительном расстоянии от места измерения в помещении, в которое подобные среды вводиться не должны; осуществить непосредственное присоединение прибора к отборному устройству невозможно.
Разделители жидкостные получили общее название разделительных сосудов. При их применении измеряемая среда заполняет импульсную трубку от места отбора до разделительного сосуда, а от разделительного сосуда до измерительного прибора импульсная линия заполняется разделительной жидкостью.
Жидкостные U- образные манометры устанавливаются строго вертикально. Жидкость, заполняющая манометр, должна быть незагрязненной и не содержать воздушных пузырьков.
Деформационные манометры (вакуумметры) должны, как правило, устанавливаться в вертикальном положении таким образом, чтобы их шкалы были хорошо видны и к приборам был обеспечен свободный доступ обслуживающего персонала. При этом для считывания показаний на близком расстоянии (1 - 1,5 м) диаметр прибора может быть до 100 мм, для большого расстояния (2 – 3 м) - не менее 160 мм. Для выбранного манометра допустимое рабочее давление должно составлять не более 3/4 верхнего предела шкалы прибора при постоянном давлении среды. Манометр присоединяют к импульсной линии или отборному устройству через трехходовой кран или трехходовой вентиль (зависит от физических параметров среды).
Трехходовой кран (вентиль) дает возможность включать и отключать манометр, проверять нулевую точку, продувать соединительную линию, а также проверить прибор в рабочей точке, т.е. непосредственно в условиях эксплуатации. Для этого к фланцу трехходового крана присоединяют контрольный манометр.
При измерении давления газов корпуса манометров окрашивают в соответствующие цвета: кислорода - голубой, водорода - темно-зеленый, ацетилена - белый, хлора и фосгена - серовато-зеленый; остальных горючих газов - красный; негорючих газов - черный.