Точные манометры для промышленности и безопасности: конструкция, материалы, производство

Область применения

Многие современные процессы включают измерение и контроль систем под давлением — жидкостей и газов. Этот мониторинг отражает критерии производительности, которые необходимо контролировать для получения желаемых результатов и обеспечения безопасности. Котлы, нефтепереработка, водоснабжение, системы сжатого газа — лишь несколько применений манометров.

Механический прибор указания давления (манометр) состоит из эластичного датчикового элемента; резьбового соединения — «гнездо» (socket); шестеренчатого механизма «механизм» (movement) — сектора и штифтовой шестерни; и защитного корпуса, циферблата и смотрового стекла. Эластичный элемент — это часть, которая фактически смещается под воздействием давления. При правильном проектировании он высокоточен и воспроизводим. Элемент соединен с шестеренчатым механизмом, который вращает стрелку по градуированному циферблату. Позиция стрелки относительно делений определяет показание давления.

Наиболее распространенная конструкция манометра изобрел французский промышленник Эжен Бурдон в 1849 г. Она использует изогнутую трубку как датчиковый элемент. Менее распространенная — диафрагменная или дисковая, особенно чувствительная при низких давлениях. Статья фокусируется на манометре с трубкой Бурдона.

Конструкция

В манометре Бурдона C-образная полая пружинная трубка закупорена и герметично запечатана на одном конце. Противоположный конец надежно запечатан и соединен с гнездом — резьбовым соединением. Когда рабочая среда (воздух, масло, вода) входит в трубку через гнездо, перепад давлений изнутри наружу заставляет трубку двигаться. Это движение аналогично развертыванию шланга под водяным напором или свистку-тубусу, который разворачивается при дуновении. Направление движения определяется кривизной трубки: внутренний радиус немного короче внешнего. Определенное давление заставляет C-образную форму раскрываться, растягиваться на определенное расстояние. Когда давление снимается, пружинная природа материала возвращает трубку в исходную форму и кончик в исходное положение относительно гнезда.

Сырье и материалы

Трубки Бурдона делают из многих материалов, но общий критерий — пригодность к пружинной закалке. Это вид термической обработки, заставляющий металл удерживать исходную форму, но обеспечивающий гибкость («эластичность») под нагрузкой. Почти все металлы обладают некоторой эластичностью, но пружинная закалка усиливает эти свойства. Бериллиевая бронза, фосфорная бронза, различные сплавы стали и нержавеющей стали отлично подходят для трубок Бурдона. Выбор материала зависит от коррозионных свойств по отношению к рабочей среде (вода, воздух, масло). Сталь имеет ограниченный ресурс из-за коррозии, но подходит для масла; нержавеющие сплавы увеличивают стоимость, если специальная коррозионная стойкость не требуется; бериллиевая бронза обычно резервируют для высокого давления. Большинство манометров для общего использования (воздух, легкие масла, вода) используют фосфорную бронзу. Диапазон давления трубки определяется толщиной стенки и радиусом кривизны. Конструкторы должны использовать точный расчет и выбор материала, так как превышение предела упругости разрушит трубку и точность потеряна.

Гнездо обычно из латуни, стали или нержавейки. Легкие манометры иногда используют алюминий, но у него ограниченный давленый ресурс и сложно пайковать или паять к трубке Бурдона. Прессованые и прокатные заготовки наиболее распространены.

Механизм (movement) делают из стеклонаполненного поликарбоната, латуни, никелевого серебра или нержавейки. Какой бы материал ни использовался, он должен быть стабильным и обеспечивать бесконтактную сборку. Латунь и комбинации латуни с поликарбонатом наиболее популярны.

Для защиты трубки Бурдона и механизма сборку помещают в корпус со смотровым стеклом. Циферблат и стрелка — из практически всех базовых металлов, стекла и пластиков. Алюминий, латунь, сталь, поликарбонат, полипропилен — отличные материалы для корпусов и циферблатов. Большинство стекол — поликарбонат или акрил, предпочтительнее стекла по очевидным причинам безопасности. Для тяжелых условий корпус герметизируют и заполняют глицерином или силиконовой жидкостью. Эта жидкость амортизирует трубку и механизм от ударов и вибраций.

Производственный процесс

Изготовление трубки Бурдона

• Трубка Бурдона — самая важная часть прибора. Её можно сделать из цельного прутка: сверлив длину до нужного внутреннего диаметра и точа внешний на токарном для заданной толщины стенки. Однако большинство манометров общего назначения используют предварительно сформированную трубку от металлопоставщика. Производитель задает желаемую толщину стенки, материал, конфигурацию, диаметр. Поставщик доставляет материал в длинах 3–3,65 м (10–12 футов), готовый к производству.
• Большинство производителей имеют проприетарные методы прокатки трубки в C-образную форму. Форма обычно создается на автоматической прокатной машине. Два точных приводных вала, через которые проходит трубка. Один вал хватает конец трубки и формирует внутренний радиус, другой дает внешнее давление для равномерного контакта. На каждом валу — желоб, облегающий трубку снаружи; они позволяют трубке сохранять круглое сечение, а не сплющиваться. В процессе прокатки стальной ман드рин — стержень, направляющий трубку в валы и помогающий держать форму — сначала вставляют в свободный конец трубки и позиционируют непосредственно перед валами. Этот смазанный мандрин имеет желаемую внутреннюю овальную форму. Трубка проходит над мандрином и между валами. Один вал имеет зажим, хватающий трубку; при вращении вала он подтягивает и изгибает трубку в C-образную форму.
• Тот же вал, что хватает и изгибает трубку, содержит пильный диск. Пока вал продолжает вращаться после изгиба, пила на нем режет трубку до нужной длины. Трубку затем термически обрабатывают в печах.

Остальные компоненты

• Гнездо — по сути металлический блок, служащий разъемом к источнику давления; креплением для корпуса, циферблата, механизма; и слотом для присоединения трубки Бурдона. Один конец гнезда резьбовой — позволяет вкручивать в давление создающее устройство. Гнездо могут лить, ковать, прессовать или точить из прутка. Большинство гнезд делают на автоматизированных machining centers, которые точат, сверлят, фрезеруют, нарезают резьбу за один цикл. Общие практики механической обработки применимы.
• Механизмы (movements) — шестеренчатые механизмы, содержащие штифтовую шестерню (вращающийся вал), сектор, опорные пластины, волновую пружину, распорные колонны. Механизм преобразует линейное смещение кончика трубки Бурдона в вращательное движение, а также обеспечивает средство калибровочной регулировки. Стрелка крепится к вращающемуся валу (штифтовой шестерне) и метет по градуированному циферблату, показывая давление. Большинство механизмов поставляются сборщику готовыми к использованию. Различные технологические процессы производят компоненты механизма, и качество исполнения напоминает часовой механизм.
• Корпус, циферблат, стрелка могут быть штампованы из листового металла, литьеформованы из пластика или отлиты. Штамповка и литьеформование требуют малой допобработки, но отливки потребуют некоторой механики — например, снятия перелизов — для соответствия требованиям. Компоненты красят по необходимости, циферблаты печатают с нужным дизайном. Обычная полиграфическая практика (офсет и прямые методы). Стекло чаще всего — пластиковая деталь литьеформования: пластик нагревают до расплава и льют в форму. Присоединительный элемент, фиксирующий и герметизирующий стекло к корпусу, закладывают в форму. Стеклянные стекла всё еще используются, но должны удерживаться кольцом. Стекло ушло из моды из-за проблем безопасности при разрыве.

Финальная сборка

• После изготовления трубки Бурдона ее закрытый конец присоединяют к гнезду пайкой, пайкой-распайкой или сваркой. Свободный конец трубки точно позиционируют при сборке и герметизируют, обычно тем же способом, что и соединение с гнездом. После фиксации сборки трубка-гнездо, кончик свободного конца C-образной трубки присоединяют к наконечнику (endpiece). В наконечнике малое отверстие соединяет кончик с шестеренчатым механизмом. Остальные компоненты — механизм, стрелка, циферблат — собирают на гнездо как группу. Кончик трубки Бурдона не движется далеко в своем рабочем диапазоне, обычно 0,31–0,63 см (0,125–0,25 дюйма). Понимаемо: чем выше давление, тем дальше движется кончик.

Калибровка

Калибровка выполняется непосредственно перед финальной сборкой с защитным корпусом и стеклом. Сборка (гнездо, трубка, механизм) подключают к источнику давления с известным «эталонным» (master) манометром. Эталон — просто высокоточный манометр известной калибровки. Вносят регулировки в сборку, пока новый манометр не покажет те же показания, что и эталон. Требования точности 2% распространены, но могут быть 1%, 0,5%, даже 0,25%. Выбор диапазона точности зависит исключительно от важности информации для контроля и безопасности процесса. Большинство производителей используют градуированный циферблат с 270-градусным ходом от нуля до полного диапазона. Диаметры циферблатов — от <2,5 см до 0,9 м (3 фута), крупнейшие — для экстремальной точности. Увеличение диаметра удлиняет окружность делений, позволяя много мелких засечек. Крупные манометры обычно хрупки и используются только как эталоны. Эталоны периодически проверяют на точность с помощью дед-вейт тестеров — высокоточного гидравлического аппарата, прослеживаемого до Национального бюро стандартов США.

Интересно, что в зачаточной фазе бизнеса по производству манометров теоретический дизайн датчикового элемента всё еще развивался. Трубку Бурдона делали с очень общими параметрами, потому что каждую трубку давильно испытывали для определения подходящего диапазона службы. Не знали точно, какой диапазон давления получится от прокатки и закалки, поэтому инструменты сортировали на калибровке под конкретное применение. Сегодня, с развитием компьютерного моделирования и десятилетиями опыта, современные трубки Бурдона точно прокаткивают под конкретные размеры, требующие мало или никакой калибровки. Современная калибровка может выполняться компьютерами с электронно-управляемыми механическими регуляторами для корректировки компонентов. Это устраняет образ мастер-ремесленника за калибровочным столом, ювелирно настраивающего тонкий, часовоподобный механизм к экстремальной точности. Некоторые мастерские по ремонту приборов всё еще выполняют эту уникальную работу, и эти прекрасные манометры стоят в одном ряду с часами и хронометрами, созданными мастерами прошлого.

Применение и будущее

После калибровки, сборки и упаковки манометр распределяется к производителям оборудования, сервисным компаниям, испытательным лабораториям для множества применений. Разнообразие применений объясняет широкий спектр дизайнов корпуса и стекла. Гнездо может входить в корпус сзади, сверху, снизу или сбоку. Некоторые циферблаты подсвечиваются люминесцентными чернилами делений или крошечными лампами от внешнего электрического источника. Манометры для высокого давления обычно имеют конструкцию «dead front» (глухая передняя панель) — элемент дизайна корпуса, помещающий существенную толщину материала корпуса между трубкой Бурдона и циферблатом. Этот барьер защищает наблюдателя от фрагментов при разрыве трубки из-за избыточного давления. Внутренний дизайн корпуса направляет эти высокоскоростные фрагменты задом наперед, подальше от наблюдателя. Многие применения подразумевают монтаж манометра прямо на работающем оборудовании, что требует жидкозаполненных корпусов. Незаполненные манометры быстро терпят неудачу от деструктивных эффектов вибрации. Специальные фланцы крепят к корпусам для панельного и поверхностного монтажа независимо от трубопроводов. Материалы корпуса и стекла подбирают для агрессивных или загрязненных сред, герметизируют различными способами для защиты механизма от влаги и загрязнений.

Использование манометров в будущем зависит от быстро растущей индустрии электронных датчиков. Это электронные компоненты, выдающие электрический сигнал и не имеющие движущихся частей. Многие манометры сегодня уже имеют эти датчики внутри корпуса для передачи данных в системы управления процессами и контроллеры. Эти датчики интринзически безопасны, позволяя применение во взрыво- и пожароопасных средах. Вся проблема управления процессами выросла в последние годы из-за необходимости предотвратить случайные выбросы технологических сред, многие из которых вредны для среды. По мере роста экологических забот этот интерфейс будет востребован, и механический манометр может уступить место. Однако механический манометр не требует источника электропитания или компьютерного оборудования, нужного электронному датчику. Это делает манометр экономически эффективным для большинства общего применения, и в этой области отрасль ожидает продолжать процветать.