Совершенствование измерительной техники было и остается одним из наиболее приоритетных направлений развития промышленности/1/. В измерительных, контролирующих и управляющих системах определенную существенную часть занимают приборы, функционирующие на основе механических первичных преобразователей/2/.
Традиционно измерительные приборы, в частности, для измерения и контроля давления, настраивались и аттестовывались в условиях не существенно отличающихся от нормальных. Типовая методика поверки механических приборов измерения давления /3/ определяет температуру окружающей среды при проведении поверки при 20 или 23оС. Каковы же истинные погрешности работы показывающих манометрических приборов при температурах окружающего воздуха, отличающихся от нормальных, даже заявляемых диапазонов проблема остается открытой.
С расширением географического спектра промышленного освоения территории России участились запросы потребителей на приборы, обеспечивающие их работоспособность в условиях низких температур Сибири, Крайнего Севера, Арктики.
ГОСТ 2405-88/4/, являющимся до настоящего времени основополагающим в разделе метрологии механических приборов измерения и контроля давления, регламентирует лишь максимальное значение температурного коэффициента: «Кt — температурный коэффициент не более 0,06% / °С — для приборов классов точности 0,4; 0,6; 1; 1,5 и не более 0,1% / °С — для приборов классов точности 2,5 и 4». И даже принятие Кt=0,06% / °С, например, для контрольных манометров кл.т.0,6 при его эксплуатации при минус 60оС (разность составляет 80oC), приводит к результатам расчета полностью дискредитирующим понятие метрологии манометрических приборов при низких температурах. Кроме этого, со времени издания указанного норматива существенно изменились конструкции приборов, их назначение и задаваемые внешние воздействия, металлы, применяемые для изготовления чувствительных элементов и др. Таким образом, даже предложенный много лет назад Кt не может не вызывать недоверия.
Работы по экспериментальному определению влияния температуры окружающей среды на показания механических приборов измерения и контроля давления, кроме представленных в /5…7 и др./, проводимые как в нашей стране, так и за рубежом, авторам не известны.
Из устных обсуждений с представителями органов законодательной метрологии по направлению манометрии проблема понятна, актуальна, но как ее решать организационно- пути не определены.
Актуальными для определения работоспособности механических приборов измерения и контроля давления в условиях отрицательных температур являются следующие вопросы: работа элементов сопряжения чувствительного элемента с трибко-секторным передаточным механизмом, как и работа непосредственно его сопряжений, при существенных перепадах tокр, изменение надежности элементов сопряжения деталей прибора в этих условиях, работа уплотнительных элементов и др.
Настоящая работа посвящена исследованию метрологии работы механических манометрических приборов измерения и контроля давления в условиях отрицательных температур. Метрология таких приборов, в основном, определяется свойствами упругих материалов чувствительных элементов.
Зарубежные компании в большинстве своем поставляют на российский рынок механические приборы измерения давления с минимальным значением температуры до минус 20оС. Это обусловлено тем, что производители металла для трубчатых и мембранных чувствительных элементов в Европе не имеют задач по расширению температурного диапазона в сторону отрицательных значений. Это относится и к азиатским производителям.
Кроме этого, зарубежные производители механических приборов измерения и контроля давления, если предлагают модели с расширенным температурным диапазоном, а это только в области высоких значений температуры, то утверждают о их работоспособности, опуская при этом метрологические характеристики.
В России авторам известны только некоторые модели приборов, работающие при значительных температурах (до минус 70оС)/8 /. При этом также данные по метрологии манометрических приборов при температурах, отличающихся от нормальных, кроме экспериментальных исследований в НПО «ЮМАС» для высоких температур (до 250оС), авторам не известны.
С целью выяснения влияния высоких температур окружающего воздуха на метрологические характеристики показывающих промышленных манометров проведены работы, представленные в /5…7 и др./. Эти работы показали, что современные материалы, применяемые в приборостроении, позволяют существенно повысить требования к производимым в настоящее время приборам, а также расширить температурный диапазон их эксплуатации как по окружающему воздуху, так и по измеряемой среде. Так, температурный коэффициент для современных промышленных приборов с упругими чувствительными элементами может быть скорректирован 0,06 до 0,04 %/оС/5/, а температура измеряемой среды при использовании показывающих манометров даже без дополнительных устройств, обеспечивающих охлаждение отбираемой пробы, может составлять 100 оС и выше/9/.
Настоящий доклад посвящен исследованию работы чувствительных элементов манометрических приборов, изготовленных из наиболее применяемых в настоящее время металлов, в условиях пониженных температур окружающей среды на примере напоромеров с мембранами, изготовленными из бериллиевой бронзы.
Целью проводимых экспериментальных исследований для расширения температурного диапазона эксплуатации в промышленных условиях в служит определение степени влияния температуры окружающей среды на показания манометрических показывающих приборов для оценки погрешности влияния этой температуры на точность проводимых измерений, а также разработки деталей и узлов манометрических приборов для их работы в условиях отрицательных температур Сибири, Антарктики и Крайнего Севера.
Для проведения экспериментальных исследований была разработана экспериментальная установка, функционирующая на основе климатической японской камеры «TABAI»(рис.1). Испытываемые приборы 1 размещаются внутри климатической камеры 2. Отслеживание температуры осуществляется штатным цифровым индикатором температуры в камере 3. Эталон давления 4, размещаемый вне камеры, обеспечивает сравнение показаний испытываемых приборов с опорными значениями давления. Воздушный пресс 5 через клапаны запорные 6 и 7 обеспечивает подачу сжатого воздуха на испытываемые приборы 1 и эталон давления 4. Эталон температуры 8 предназначен для контроля за работой штатного индикатора 3.
Рис.1. Схема (а) и фото (б) экспериментальной установки для исследования режимов работы манометрических приборов с УЧЭ в зависимости от температуры окружающей среды: 1 – испытываемые приборы; 2 — климатическая камера; 3 – цифровой индикатор температуры в камере; 4 — эталон давления; 5 – воздушный пресс; 6,7 – клапаны запорные; 8 – эталон температуры.
В качестве испытываемых приборов приняты напоромеры НП100Н производства НПО ЮМАС с мембраной из бериллиевой бронзы CuBe2 на давление 25 кПа (рис.2). Основным показателем изменения упругих характеристик определено изменение отклонений указательной стрелки прибора. Несомненно, что в этой цепи не исследованным остается трибко-секторный передаточный механизм и его роль во внесении своего влияния. Но, первое: задача стоит в определении свойств именно прибора в целом; во вторых: полагаем, что исследованием напоромеров с различными мембранами, но с одинаковым механизмом и с использованием статистики, в последующем, можно определить зависимость упругих характеристик металла от температуры.
Для повышения теплообмена два прибора установлены со снятыми корпусами, а один, с целью изучения теплообмена, а также работы уплотнительных элементов, в собранном виде.
 |
Рис.2. Вид испытываемых напоромеров, размещенных в климатической камере. |
Климатическая камера 2 (рис.1), в качестве которой использована камера Mini Subzero TABAI MC-81 с минимально достижимой температурой минус 85оС перед началом эксперимента была ревизирована с полным техническим обслуживанием и контролем работы цифрового индикатора температуры 3 внутри камеры.
В качестве эталона давления 4 принят деформационный манометр МП160 с именованной шкалой и классом точности 0,25, предварительно поверенный на калибраторе давления HPS500 с классом точности 0,005.
Воздушным прессом 5 (рис.1) служило устройство генерации малых давлений собственного производства на основе крупногабаритного сильфона.
Контроль показаний штатного цифрового индикатора температуры 3 (рис.1 и рис.3) обеспечен эталоном температуры МИТ-8, предварительно прошедшим поверку, с точностью 0,3 мК. Вид штатного индикатора температуры, установленного эталона МИТ-8 и вид экрана контроля температурных полей представлены на рис.3а,б,в.
Рис.3. Вид индикатора и пульта управления климатической камерой (а), эталона температуры МИТ-8(б) и компьютерного экрана системы контроля температурных полей (в).
Первичными преобразователями служат поверенные термоэлектрические термометры ТХК, изготовленные из провода 0,2 мм со спаем в диаметре около 0,3 мм. Спай одного термоэлектрического термометра для контроля работы штатного индикатора располагается непосредственно в климатической камере. Второй канал измерения был задействован в системе контроля температурного поля в наиболее массоемких частях прибора: спай зачеканивается в металл держателя напоромера по способу, представленному в /10/.
Методика проведения исследований состоит в стабилизации температуры по всему рабочему объему камеры, ступенчатой подачи давления на испытываемые приборы с регистрацией показаний всех приборов на контролируемых значениях шкалы, выдержки максимального давления при минимальных температурах (минус 83оС) до ее стабилизации с целью определения упругих характеристик металла на предельных нагрузках и минимальных температурах и последующее ступенчатое снижение давления с регистрацией показаний всех испытываемых приборов на контролируемых точках. Температурная стабилизация определяется по уравниванию значений температуры в камере, отслеживаемое по показаниям индикатора камеры, и показаниям эталона и измеряемой температуре металла держателя. При этом контролируется температурная стабильность в камере. Температурная стабилизация во всех рабочих точках камеры и температурная стабильность поддержания основного параметра в климатической камере, обеспечиваемая регулятором устройства, контролируется компьютером, связанным с прибором МИТ-8 по связи RS 232. Такой контроль обеспечивается как визуальным отслеживанием на экране компьютера, так и табличным и последующим расчетным методом (рис.3в).
Точки, на которых проводились замеры показаний испытываемых напоромеров, принимались из /3/.
Все эксперименты на указанных значениях были проведены три раза с промежутком в один день.
Основные результаты проведенных экспериментальных исследований четырех механических напоромеров представлены на рис.4.
Рис.4. Результаты экспериментальных исследований работы механических напоромеров при температурах до минус 83оС
Полученные экспериментальные данные, представленные на рис.4, свидетельствуют о зависимости показаний напоромеров от температуры окружающего воздуха. Обращает внимание на себя факт, что у всех четырех образцов при понижении температуры происходит смещение показаний нулевой точки и максимального значения от 0 до 0,4…0,5кПа, что не существенно, но превышает предельно допустимую погрешность, определенную в 0,375кПа. Причем выход за пределы допускаемой погрешности отмечены у образцов 1 и 3 на температуре минус 80оС. У двух других (образцы 2 и 4) такие превышения отмечаются при более высокой температуре.
Несколько иная картина представляется в анализе показаний напоромеров при низких температурах и максимальной нагрузке. Так, у образцов 3 и 4 приборы практически входят в заявленный класс точности даже при температуре минус 80оС. У образцов 1 и 2 очевидно превышение допустимой погрешности на предельно низких температурах (до 0,5кПа).
Обращает на себя факт, что практически у всех испытываемых образцов напоромеров оказались удовлетворительные (кроме одной точки у образца 2) метрологические характеристики в диапазоне от 20 до 80% измеряемой шкалы, даже предварительно не подготовленных для работы при отрицательных температурах окружающего воздуха.
Для сравнения полученных экспериментальных результатов с расчетными значениями принята методика, представленная в /4/. Допустимая суммарная предельная погрешность ΔS манометрического прибора с учётом влияния температуры окружающей среды определяется следующим соотношением:
ΔS = Δ1 + Δ2 . (1.1)
Здесь:
Δ1 — основная допустимая погрешность прибора;
Δ2 — дополнительная допустимая погрешность прибора, обусловленная влиянием внешних температур и определяемая, по следующей формуле:
Δ2 = + Kt (|t2| — |t1|), (1.2)
где t1 – нормальное значение температуры окружающего воздуха; t2 – текущее значение температуры окружающего воздуха.
Для определения оптимального температурного коэффициента для напоромеров с мембраной из бериллиевой бронзы проведен расчет по формулам (1.1) и (1.2) с разными Kt. Результаты расчетов приведены в таблице.
Результаты сравнения полученных экспериментальных данных работы напоромеров с мембранами из бериллиевой бронзы с расчетными значениями при разных температурных коэффициентах
Таблица
Из данных, представленных в таблице, следует, что для расчета погрешности показаний напоромеров с мембраной из бериллиевой бронзы для диапазона до минус 20оС для расчетов может быть использован коэффициент Kt = 0,03 %/ оС, для диапазона до минус 40 оС и до минус 60 оС и минус 80 оС Kt =0,13%/ оС.
Выводы
- Проведенные исследования показали возможность применения механических напоромеров для работы при температурах окружающей среды до минус 83оС.
- Представленный экспериментальный материал может быть основой для производства механических напоромеров, работающих при отрицательных температурах с обеспечением задаваемого класса точности без ввода дополнительных коррелирующих температурных коэффициентов.
- Полученные температурные коэффициенты позволяют проводить метрологическую оценку работы напоромеров при отрицательных температурах.
Литература
- Постановление Правительства Российской Федерации N 328 от 15 апреля 2014 г. «Государственная программа Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности».
- Мулёв Ю.В. Манометры. – М.:МЭИ,2033. – 280с.
- МИ 2124. Манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры показывающие и самопишущие. Методика поверки. –М.:ВНИИМС,1989.- 12с.
- ГОСТ 2405-88. ГОСТ 2405-88. Манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры. – М.:Издательство стандартов, 1989. – 51 с.
- Мулёв Ю.В., Мулёв А.Ю. Погрешности показаний показывающих манометров в условиях повышенных температур окружающей среды. – Главный метролог, 2009, №5, с.26-34.
- Мулёв Ю.В., Мулёв А.Ю. Влияние температуры окружающей среды на показания манометрических приборов. – Приборы, 2009, №6(108), с.43-47.
- Мулёв Ю.В., Мулёв А.Ю. Исследование метрологических характеристик эталонных показывающих манометров в условиях повышенных температур окружающего воздуха. – Законодательная метрология, 2009, №6, с.36-39.
- Мулёв Ю.В., Мулёв А.Ю. Исследование вспомогательных устройств, обеспечивающих регламентированную работу манометрических приборов в условиях повышенных температур измеряемой среды. — Приборы, №4(106), 2009, С.39-42.
- Кемельман Д.H. Эскин Н.Б. Наладка котельных установок. — М.: Энергоатомиздат. 1989. — 320 c.[schema type=»book» name=»РАБОТА МЕХАНИЧЕСКИХ НАПОРОМЕРОВ ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ (до минус 83 оС)» description=»Экспериментально исследована работа упругих чувствительных элементов давления при отрицательных температурах (до 83оС). Определена метрологическая надежность работы напоромеров с элементами из бериллиевой бронзы, рассчитаны температурные коэффициенты для разных классов точности.» author=»Мулёв Михаил Юрьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-18″ edition=»euroasia-science_28.04.2016_4(25)» ebook=»yes» ]