Деформаційні барометри.

Принцип дії деформаційних барометрів заснований на залежності пружної деформації твердих тіл від подаваного на них тиску. Як первинні перетворювачі для цих барометрів застосовують елементи особливої форми і конструкції, чутливі до зміни тиску і перетворюють його в лінійне переміщення або силу (зусилля). Найбільш розповсюдженими з них є вакуумовані мембрані коробки (барокоробки), блоки з них (бароблоки) і сильфони, виготовлені з сталі, бронзи та їх сплавів з іншими металами.

Барокоробка (рис.3.9,а) складається з двох спаяних або зварених по периметру круглих мембран 1 (діаметром 30 – 80 мм), які мають жорсткі центри 2 з кріпильними ніжками 3. З окремих коробок, які скріплюються між собою гвинтовими з’єднаннями ніжок, збираються бароблоки (рис.3.9, б).   Рис.3.9 Барокоробка: а – розріз; б - вигляд зверху; 1 – мембрана; 2 – центр мембрани; 3 – кріпильна ніжка

Чутливість бароблоку дорівнює сумарній чутливості складових його коробок. Сильфон (рис.3.10) являє собою тонкостінну гофровану трубку 3, закриту з обох кінців впаяними (ввареними) дисками 2.

В центрі дисків є кріпильні ніжки 1. внутрішня порожнина барокоробок і сильфонів вакуумується (через отвір в одній з ніжок, який потім заварюється або запаюється).     Рис.3.10 Сильфон: 1 – кріпильна ніжка; 2 – диск; 3 – гофрована трубка

Барокоробка як перетворювач тиску в лінійне переміщення (деформація) діє таким чином. Зовнішній (атмосферний) тиск на мембрани, направлений на стиснення коробки, урівноважується силою пружної деформації мембран або, якщо вони не досить пружні, силою додаткової вимірювальної пружини. При зміні тиску рівновага порушується, мембрани (і пружина при її наявності) деформуються до положення, при якому рівновага відновлюється; переміщення жорстких центрів мембран коробки, яке відбулося при цьому, відносно один одного може служити мірою зміни атмосферного тиску.

Барокоробка може служити перетворювачем тиску в силу. При цьому жорсткі центри мембран не повинні зміщуватися відносно один одного, а зміну тиску на мембрани компенсують відповідною зміною натягу вимірювальної пружини, зв’язаної з жорсткими центрами мембран. У даному випадку застосований метод силової компенсації, при якому сила натягу пружини є мірою вимірюваного тиску (його зміни).

В найбільш широко застосованих деформаційних барометрах-анероїдах як первинні перетворювачі використовуються барокоробки і бароблоки. Бароблок (або барокоробка) кріпиться однією з вільних ніжок до основи (корпусу) анероїда. На цій же основі монтується його вторинний перетворювач, який з’єднується з другою вільною ніжкою бароблоку. В анероїдах, основаних на принципі вимірювання деформації (лінійного переміщення жорстких центрів), як вторинний перетворювач застосовується передаточно-множний механізм, який перетворює малі переміщення вільного жорсткого центру відносно основи в достатньо великі кутові переміщення стрілки анероїда, яка вказує. В анероїдах, основаних на принципі силової компенсації, вторинний перетворювач побудований за схемою динамометра.

Анероїди випускаються декількох конструкцій. Розглянемо найбільш розповсюджені з них.

Анероїд БАММ* (рис.3.11; 3.12).

Рис.3.11 Барометр-анероїд БАММ

Рис.3.12 Механізм барометра –анероїда БАММ: 1 – плата; 2 – бароблок; 3 – тяга; 4 і 8 - плечі важеля; 5 – вісь; 6 і 15 - регулювальні гвинти; 7 - стрілка; 9 - термометр; 10 - шарнірний ланцюг; 11 – вісь стрілки; 12 - ролик; 13 - шкальна плата; 14 – спіральна пружина; 15 – гвинт; 16 – стойка.

Бароблок 2 однією з своїх кріпильних ніжок за допомогою пластини прикріплений до стойок 16. Друга вільна ніжка шарнірно з’єднана за допомогою жорсткої тяги 3 з плечем 4 важеля (4 – 8), закріпленого на осі 5, яка служить йому опорою. Друге плече 8 важеля (4 – 8) зв’язане пластинчато-шарнірним ланцюгом 10 з роликом 12, який насадженим на вісь 11 стрілки 7.

* БАММ – барометр-анероїд Маклакова і Мануйлова.

Спіральна пружина (волосок) 14, що зв’язана з віссю 11, тримає ланцюг 10 в натягнутому стані, вибираючи тим самим люфти в з’єднаннях механізму. До верхньої плати 1 за допомогою втулок і гвинтів прикріплена шкальна пластинка 13, в центрі якої є отвір для виходу кінця осі 11. На кінець осі 11 насаджена стрілка 7. До нижньої шкальної пластинки прикріплений дугоподібний ртутний термометр 9, який видний через проріз пластини. На верхній стороні шкальної пластини нанесені шкали: тиску (в мм.рт.ст. або в Па) - по окружності і температури (в ºС) - у краю дугового прорізу. При підвищенні тиску бароблок стискається і передаточний механізм повертає стрілку і додатково заводить волосок. При зменшенні тиску бароблок розтягується і передаточний механізм працює в напрямку, при якому натяг ланцюжка 10 послаблюється; натяг ланцюжка (вибірка люфту) і поворот стрілки відбувається під впливом волоска. Регулювання чутливості анероїда при його настройці і повірці здійснюється шляхом зміни за допомогою гвинта 6 співвідношення довжин плечей 4 і 8 важелю, а установка показань анероїда по показанням зразкового приладу здійснюється гвинтом 15, при обертанні якого бароблок переміщується вздовж своєї осі.

Механізм анероїда установлюється в пластмасовому корпусі і закріплюється разом з прокладкою і склом кільцем, яке нагвинчується на корпус. В корпусі є отвір, через який за допомогою викрутки можна (при повірці) обертати гвинт 15.

БАММ-1 забезпечує вимірювання атмосферного тиску в межах від 800 до 1060 гПа або від 600 до 800 мм.рт.ст.; основна похибка 2 гПа (приблизно 1,5 мм.рт.ст.). Вимірювання можна проводити при температурі повітря від -10 до +40ºС.

Барометр-анероїд М-67 (МД-49-2). Механізм цього барометру не має принципових відмінностей від описаного вище механізму БАММ-1. Він відрізняється від нього тільки тим, що його бароблок складається з чотирьох барокоробок, і тим, що в ньому застосовані струнні осі, які зменшують тертя.

Механізм М-67 (рис.3.13) установлений в металевому, зверху заскленому корпусі, який за допомогою амортизаційних пружин 3 закріплений в футлярі. Футляр закривається кришкою 1, закріпленою на петлях. Завдяки наявності амортизаційних пружин анероїд М-67 при перевозці менше зазнає пошкоджень від можливих механічних впливів. Він придатний для роботи при температурі від -40 до +40ºС. Його похибка 0,8 мм.рт.ст.

Вимірювання тиску за допомогою барометра-анероїда. При експлуатації анероїд в футлярі повинен зберігатися в місці, де нема різких змін температури.

Рис.3.13 Барометр-анероїд М-67: 1 - кришка футляра; 2 - анероїд; 3 – амортизатори

Футляр відкривають тільки на час проведення відліків. Відкривши футляр, знімають показання термометра анероїда з точністю до 0,1ºС (це роблять в першу чергу, щоб уникнути теплового впливу самого спостерігача на термометр). Потім, перевіривши на око правильність положення анероїда (його шкальна пластина повинна бути розташована горизонтально) і постукавши пальцем по склу (що зменшує тертя в окремих ланках передаточного механізму), знімають відлік по положенню кінця стрілки відносно шкали з точністю до десятої частки поділки (0,1 мм.рт.ст.; 0,1 гПа). Показання записують. Закривають кришку футляру.

Для отримання значення тиску показання анероїда виправляють трьома поправками: 1) температурною; 2) шкаловою і 3) добавочною, які наводяться в повірочному свідоцтві, що прикладається до анероїда.

Температурна поправка. При зміні температури анероїда його показання змінюються внаслідок того, що пружність мембранних коробок (і пружини, якщо вона є) не залишається постійною. При підвищенні температури їх пружність зменшується, в силу чого коробка стискається більше і анероїд дає завищені показання. Для зменшення температурного коефіцієнта при виготовленні анероїда його компенсують на температуру. Така компенсація досягається тим, що в анероїд ній коробці залишається деяка кількість газу. Проте практично повністю виключити вплив температури анероїда на його показання не можна. Отже, при одному і том же атмосферному тиску показання анероїда можуть відрізнятися в залежності від його температури.

Для того, щоб виключити вплив температури, показання анероїда приводять «до температури 0ºС». Для цього при повірці для анероїда визначається температурний коефіцієнт, який дорівнює зміні його показань при зміні температури на 1ºС.

Температурний коефіцієнт вважають додатнім, якщо із збільшенням температури анероїда його показання збільшуються. В повірочному свідоцтві наводиться температурна поправка у вигляді добутку температурного коефіцієнту, взятого із зворотнім знаком, і температури, виміряної по термометру анероїда (наприклад, мм).

Шкалова поправка. Ця поправка виключає систематичну інструментальну похибку анероїда, яка виникає в результаті технологічних допусків при виготовленні його шкали, вузлів передаточного механізму і барокоробки. Чутливість також не може бути повністю ідентичною по всій шкалі і для всіх випущених екземплярів анероїдів. Все це приводить до похибок вимірювання, різним в різних ділянках шкали, які визначають при повірці за допомогою барокамери і зразкового манометра (порівнюючи показання анероїда і манометра при різному тиску в барокамері). По отриманим в результаті таких порівнянь значенням обчислюють поправки для окремих точок шкали, які віднесені до похибок в точці шкали 760 мм.рт.ст. Цю точку приймають рівною нулю. Такі поправки прийнято називати «шкаловими».

В повірочному свідоцтві до анероїду шкалові поправки наводяться для всієї шкали через кожні 10 поділок (мм.рт.ст.). Поправку до будь-якої точки шкали обчислюють інтерполяцією по поправках до двох сусідніх з нею точок. Інструментальна поправка анероїда протягом часу змінюється. Для врахування цього, а також для врахування поправки в точці 760 мм.рт.ст. вводять добав очну поправку.

Добав очну поправку визначають при повірці, порівнюючи показання анероїда, виправлені температурною і шкаловою поправками, з результатами вимірювань зразковим барометром. Таку повірку анероїдів необхідно проводити не рідше, ніж через 6 місяців.

Анероїди мають деякі переваги перед ртутними барометрами (малі габарити і масу, відсутність ртуті, зручність транспортування). Проте їх недостатня точність і зміна інструментальної похибки в процесі експлуатації не дозволяють використовувати анероїди як основний прилад для вимірювання тиску на метеорологічних станціях. Вони застосовуються в тих випадках, коли вимірювання тиску допустиме з похибкою більше 1 мбар (на деяких постах, в окремих експедиціях та ін.).

Барограф (рис.3.14). Для безперервної реєстрації змін атмосферного тиску застосовуються барографи. На метеорологічних станціях зустрічається декілька конструкцій барографа, які відрізняються головним чином, зовнішнім оформленням.

Барограф розміщений в пластмасовому корпусі. До нижньої рами корпуса за допомогою чотирьох гвинтів прикріплено основу – металеву плату 12 (рис.3.15, а), на якій змонтований увесь механізм приладу.

Рис.3.14 Барограф.

Чутливий елемент – блок барокоробок 11 – нижнім кінцем за допомогою біметалевого компенсатора кріпиться до плати 12. Верхній кінець бароблока за допомогою упору 6 і передаточної системи зв’язаний зі стрілкою 1 пера.

Рис.3.15 Механізм барографа (а) і біметалевий термокомпенсатор (б): 1 – стрілка пера; 2 і 3 – кронштейни; 4 – гвинт; 5 – важіль; 6 – упор; 7 – тяга; 8 – вісь пера; 9 – кнопка; 10 - рукоятка упору; 11 – бароблок; 12 – плата; 13 – барабан; 14 і 17 – гвинти; 15 – скоба; 16 – біметалева пластинка.

Передаточна система складається з важелю 5 з шарніром, розташованим в рухливому кронштейні 3, тяги 7 і регульованого важелю, який має загальну вісь 8 зі стрілкою 1 і закріпленого гвинтом. Змінюючи за допомогою цього гвинта довжину важеля, можна регулювати чутливість барографа. Передаточний коефіцієнт механізму приблизно 80. Положення рухливого кронштейна 3, який має шарнір в кронштейні 2, фіксується зверху гвинтом 4 і знизу упорною пружиною. За допомогою гвинта 4, розташованого у верхній частині кронштейна 2, можна переміщувати рухливий кронштейн 3 навколо його шарніра, тим самим переміщуючи всю систему важелів (не деформуючи коробки) і установлюючи кінець стрілки 1 з пером в потрібне положення відносно поділок на стрічці (надітій на барабан часового механізму) у відповідності з атмосферним тиском. Рукоятка упора 10 дозволяє відводити перо. Відмітки на стрічці барографа можна зробити, натискаючи кнопку 9.

При підвищенні атмосферного тиску барокоробки стискаються і через важільну систему повертають стрілку, переміщуючи її доверху. При зниженні атмосферного тиску коробки під впливом пружних сил мембран розширюються і стрілка переміщується вниз. Чутливість бароблоку залежить від зміни температури (пружність мембран). Для виключення впливу температури на показання барографа застосовується термокомпенсатор. Він являє собою біметалеву пластинку 16 (рис.3.15, б), з одного кінця укріплену гвинтом 14 з гайкою до нижньої сторони основи 12; на другому її кінці гвинтом 17 прикріплений бароблок. Крім того, пластинка 16 кріпиться з основою 12 пересувною скобою 15 і гвинтом. Установлюючи скобу 15 ближче чи далі від бароблока (гвинта 17), укорочують або подовжують вільно діючий кінець пластини 16 відповідно, зменшуючи або збільшуючи переміщення бароблоку при зміні температури, добиваються температурної компенсації. Реєстрація тиску проводиться на спеціальних стрічках, які накладаються на барабан часового механізму.

Барограф потрібно установлювати на окремій поличці, закріпленій на стіні недалеко від ртутного барометру. Його не потрібно піддавати сильним температурним коливанням, тому що, незважаючи на температурну компенсацію, це може позначитися на його записах. Тому барограф не можна установлювати поблизу опалювальних батарей, віконних прорізів, в місцях куди можуть попасти сонячні промені.

Барографи в залежності від підкладної шестірні і приданого їм часового механізму можуть бути добові і тижневі. Стрічки барографа (рис.3.15, а) розграфлені через рівні проміжки горизонтальними лініями, а по вертикалі через рівні проміжки дугами. Горизонтальні лінії утворюють шкалу тиску в мілібарах, вертикальні дуги - шкалу часу. Шкала тиску на стрічці має межі від 960 до 1050 мбар, поділки нанесені через кожні 2 мбар і оцифровані через кожні 10 мбар. По шкалі часу ціна поділок між сусідніми дугами 15 хв для добового барографа і 2 год – для тижневого.

Установка стрічки на барографі робиться також, як і на термографі. Контрольні відмітки на стрічці барографа робляться при проведенні вимірювань тиску по барометру в основні строки спостережень. Виправлені показання барометра є вихідними при обробці стрічок для введення поправок до даних за записом барографа. В іншому обробка не відрізняється від обробки стрічок термографа.

Датчик тиску уніфікований (ДТУ). ДТУ складається з датчика тиску (ДТ) і блоку живлення (БЖ) (рис.3.16).

Рис.3.16 Датчик тиску уніфікований (ДТУ) без блоку живлення.

Уніфікація ДТУ полягає в тому, що в повному комплекті (ДТ і БЖ) він використовується як автономно діючий барометр, а його датчик (ДТ) як датчик атмосферного тиску автоматичної метеорологічної станції.

Принцип дії ДТ оснований на перетворенні атмосферного тиску, діючого на його чутливий елемент – сильфон, в силу, пропорційну цьому тиску, і вимірюванні її методом силової компенсації.

Сильфон 1 (рис.3.17, а) ніжкою нижнього жорсткого центру прикріплений до корпуса приладу, а другою ніжкою за допомогою тяги 2 зв’язаний с коротким плечем важеля 3, який має точку опори на підвісі 4, також не рухливо прикріпленому до корпуса приладу. На довгому плечі важеля 3 розташовані два вантажу – вимірювальний 5 і компенсаційний 6. Вся ця система може розглядуватися як нерівноплечові ваги. Компенсація сили, яка розвивається сильфоном 1, наступає при рівності моменту сили, прикладеною сильфоном до короткого плеча важеля 3, сумі моментів сил тяжіння вантажів 5 і 6, прикладених до його довгого плеча. Рівновісний стан системи визначається з положення прикріпленого на кінці довгого плеча важеля 3 сердечника 7 нуль-індикатора 8 відносно його індукційних котушок, закріплених на корпусі приладу (рис.3.17, а, б). При стані рівноваги, коли сердечник 7 знаходиться в нейтральному положенні, вихідна напруга нуль-індикатора дорівнює нулю. При зміні атмосферного тиску відповідно зміниться сила впливу сильфона на важіль 3 і рівновага системи порушиться; важіль 3 повернеться на деякий кут і змістить сердечник 7 з нейтрального положення, внаслідок чого в котушках нуль-індикатора 8 виникне напруга розбалансу. Ця напруга надходить на систему автоматичної обробки, що складається з підсилювача 9, серводвигуна 10 з редуктором 13, зв’язаним ходовим гвинтом 11 і гайкою 18 з вимірювальним вантажем 5.

U 26 Вт

7 400 Гц

До підсилювача

Рис.3.17 Схеми структурна ДТУ (а) і електрична принципова нуль-індикатора ДТ (б): 1 – сильфон; 2 – тяга; 3 – важіль; 4 – підвіс; 5 і 6 - вимірювальний і компенсаційний вантажі; 7 – сердечник; 8 – нуль-індикатор; 9 – підсилювач; 10 – серводвигун; 11 - ходовий гвинт; 12 – лімб; 13 – редуктор; 14 - лічильник; 15 і 16 – потенціометри; 17 - ходовий гвинт; 18 – гайка; 19 - блок живлення.

При розбалансі системи двигун 10 починає обертатися в напрямку, який визначається фазою сигналу розбалансу нуль-індикатора; вона задається таким чином, щоб вантаж 5 переміщувався в напрямку, при якому рівновага системи відновлюється. Лінійне переміщення вимірювального вантажу 5 вздовж довгого плеча важелю 3 до моменту відновлення рівноваги є мірою зміни тиску, який викликав порушення рівноваги системи. Це переміщення визначається кількістю обертів гвинта 11, який через редуктор 13 зв’язаний з цифровим лічильником 14 і двома потенціометрами – грубого 16 і точного 15 відліків.

Лічильник служить для візуального зняття показань, а потенціометри, до яких надходить напруга постійного струму, - для зняття показань при підключенні ДТ як датчика автоматичної станції. Система з двох лічильників забезпечує високу точність зняття показань. Передаточне число редуктора 13, який зв’язує гвинт з лічильником і потенціометром, забезпечує можливість зняття візуальних показань в абсолютних значеннях з дискретністю в мбар і зняття напруги з потенціометрів у заданому масштабі.

Компенсаційний вантаж 6 установлюється гвинтом 17 в положення, яке залежить від меж зміни атмосферного тиску в місці установки ДТ. Положення вантажу 6 фіксується за шкалою лімба 12. Ціна поділки шкали лімба наводиться в паспорті ДТ.

Взаємозв’язок основних механічних елементів ДТ наведений на кінематичній схемі (рис.3.18).

Рис.3.18 Кінематична схема ДТ: 1 – сильфон; 2 – тяга; 3 і 4 – вертикальна і горизонтальні підвіси; 5 – коромисла; 6 - вимірювальний вантаж; 7 - повідкова вилка; 8 - компенсаційний вантаж; 9 – ходовий гвинт; 10 – лімб; 11 і 12 – потенціометри; 13 - мотор; 14 – рукоятка; 15 – лічильник; 16 – шестерні; 17 – направляючі; 18 – ходовий гвинт; 19 – каретка.

Всі конструктивні вузли ДТ, вагова система, шестерні (редуктори) 16, мотор 13, підсилювач розміщені на основі. Коромисло 5 (рис.3.17, важіль 3) вагової системи підвішене на основі за допомогою хрестоподібної пружної опори, яка складається з вертикального 3 і двох горизонтальних 4 пружних стрічкових підвісів. На кінці довгого плеча коромисла закріплено осердя нуль-індикатора і поршень масляного демпфера (на рисунку не показаний).

Механізм переміщення вимірювального вантажу містить дві направляючі 17, ходовий гвинт 16 і каретку 19, яка зв’язана з ходовим гвинтом плаваючою гайкою. Каретка 19 зв’язана з вимірювальним вантажем 6 повідковою вилкою 7. Хід каретки в крайніх положеннях обмежується мікровимикачами, які розмикають ланцюг живлення обмотки збудження двигуна при переході нею допустимих меж. Цим виключається можливість поломки приладу при його несправності або порушенні правил його експлуатації.

Компенсаційний вантаж 8 установлюється в потрібному положенні (у відповідності з потрібними межами вимірювань) обертанням гвинта 9, який закінчується шліцом (для викрутки). На кінці гвинта 9 закріплений лімб зі шкалою, ціна поділки якої вказується в паспорті ДТ, що полегшує установку вантажу 8 в потрібне положення.

У верхній частині основи знаходиться рівень, за яким прилад при експлуатації за допомогою регульованих по довжині гвинтових ніжок установлюється горизонтально. На основі закріплюється ртутний термометр (в комплекті ДТУ) або датчик термометра опору (в комплекті автоматичної станції) для вимірювання температури ДТ.

Живлення ДТУ здійснюється від мережі 220 В, 50 Гц через БЖ, який за допомогою кабелю, що закінчується вилкою, підключають до мережі, а за допомогою кабелю через штепсельні роз’єми до ДТ.

В показання ДТУ вводять температурну поправку в мілібарах, де мбар ºС – температурний коефіцієнт; - температура, при якій приводиться до нуля (ці дані беруться з паспорта приладу); - температура, виміряна по термометру ДТ.

В приладі є біметалевий компенсатор, тому температурний коефіцієнт ДТ доброї якості виготовлення близький до нуля , проте допускаються до експлуатації ДТ, у яких мбар/ºС.

Випадкова похибка ДТУ не перевищує мбар.

Дата добавления: 2015-10-13