25.Виды чувствительных элементов деформационных средств измерения давления.
В качестве упругих чувствительных элементов пружинных манометров и датчиков давления ГСП используют одновитковую или многовитковую трубчатые пружины, упругую мембрану или мембранную коробку, сильфон или вялую мембрану с пружиной (рисунок 1).
Рисунок-1. Упругие элементы пружинных манометров и датчиков давления ГСП:
а – одновитковая трубчатая пружина; б – многовитковая трубчатая пружина; в – упругая мембрана; г – ембранная коробка; д – сильфон; е – малая мембрана.
Трубчатая пружина
Представляет собой согнутую по окружности трубку, один конец трубки впаен в основание прибора, другой наглухо закрыт и через зубчатое соединение зацеплен со стрелкой. Изготовляют трубчатую пружину обычно из стали, латуни. Сечение пружины может быть эллипсовое (трубка Бурдона) или круглое. При подаче в трубку давления, она стремится распрямиться и свободный конец перемещается двигая за собой стрелку. Чувствительность пружины тем больше, чем больше радиус кривизны и чем меньше толщина стенки.
Многовитковая пружина
Представляет собой полую трубку с 5-7 витками, расположенными по винтовой линии. Пружина одним концом неподвижно закреплена в корпусе прибора и через капиллярную трубку соединяется с измеряемой средой. Второй свободный конец наглухо закрыт и через втулку соединен с осью. Многовитковая трубчатая пружина длиннее одновитковой, поэтому ее свободный конец при том же давлении перемещается значительно больше. Под действием давления пружина, раскручиваясь, поворачивает ось (на оси находится рычаг с кареткой, связанный через тягу с держателем пера). Манометры с многовитковой пружиной используют также главным образом как самопишущие приборы, могут также использовать как приборы для дистанционной передачи показаний.
Прямая трубка
При подаче давления в трубку изгибается в сторону тонкой стенки.
Закругленная пружина
При подаче давления пружина раскручивается, при чем ее угол поворота достигает 360 о . В отличие от других чувствительных элементов, закругленная пружина не требует дополнительных устройств, увеличивающих величину угла поворота для отражения.
Сильфон или гармониковая пружина
Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с кольцевыми гофрами по боковой поверхности. Упругость сильфона определяется материалом и толщиной стенки, числом гофр и их кривизной. Выходной величиной сильфона является перемещение, т.е. при увеличении давления сильфон распрямляется, а при уменьшении – сжимается. Сильфоны более чувствительны к изменению, чем трубчатые пружины и поэтому приборы, чем трубчатые пружины и поэтому приборы к ним применяют для измерения сравнительно небольших давлений и разряжений.
Упругие мембраны и блоки
Плоская упругая мембрана
Гафрированная упругая мембрана
Изготовляются упругие мембраны из латуни и бронзы для малых давлений и легированных сталей для больших давлений. Плоская мембрана представляет собой платину. Закрепленную по окружности. При подаче давления в одну из камер, разделенных мембраной центр окружности перемещается . Статическая характеристика плоской мембраны имеет нелинейный вид, поэтому такие мембраны в приборах измерения давления используют очень редко. Для линеаризации статистической характеристики применяют гафрированные мембраны и мембранный коробки.
Мембранная коробка
Мембранный блок
Гафрированная мембранная коробка
Чаще всего используют мембранный коробки, жесткость которых больше, чем жесткость отдельной пружины. Что приводит к росту кривизны статической характеристики и увеличению зоны перемещений пропорциональных приложенному давлению.
Эластичные мембраны и блоки
Плоская эластичная мембрана
Упругая эластичная мембрана
Мембранный блок с жестким заполнением
Выполняются жесткие мембраны из эластичных материалов, например, резины. Линейная часть эластичных мембран значительно больше, чем у упругих, а предел меньше чувствительности больше, чем у других
Чувствительные элементы деформационных манометров
К упругим чувствительным элементам приборов относятся: трубчатые пружины, сильфоны, плоские и гофрированные, мембраны, мембранные коробки, вялые мембраны с жестким центром (рис, 1.15).
Трубчатая пружина представляет собой согнутую по дуге окружности трубку, имеющую в сечении овальную форму (рис.1.15а), причем большая ось овала нормальна плоскости оси трубки. Один из концов трубки запаян, а измеряемое давление передается внутрь трубки через второй открытый ее конец. Под действием давления овальное сечение трубки деформируется: большая ось овала уменьшается, а малая увеличивается. При такой деформации каждого сечения длина внешних волокон АВ материала трубки увеличивается, а внутренних СD- уменьшается: возникают напряжения (на волокнахAB- растягивающие, на СD- сжимающие), которые приводят к появлению момента М , разгибающего трубку.
Сильфон — это тонкостенная трубка с поперечными кольцевыми гофрами на боковой стенке, (рис,1.156). Его жесткость зависит от материала, наружного и внутреннего диаметров, толщины стенки . заготовки, радиуса закругления гофр r, угла их уплотнения, числа гофр.
Мембраны (см.рис. 1.15 в, г, д, е) бывают плоскими и гофрированными. Под действием разности давлений центр мембраны (рабочая точка) перемещается. Рабочая точка чувствительного элемента связана со стрелкой прибора при помощи передаточного механизма. Точка перемещается пропорционально измеряемому давлению р.
У плоской мембраны рабочая течка перемещается не пропорционально измеряемому давлению. В этом случае говорят, что мембрана имеет нелинейную характеристику. Такую мембрану из-за малых перемещений рабочей точки применяют для преобразования давления в силу или поверхностные деформации (тензопреобразователи).
Для улучшения статической характеристики используют гофрированные мембраны и мембранные коробки. Профили мембран могут быть пильчатыми, трапецеидальными и синусоидальными.
Жесткость коробки вдвое ниже жесткости каждой из мембран. В гифманометрах используются мембранные блоки, включающие две коробки и более.
В напорометрах и тягомерах применяются так называемые вялые мембраны, изготовленные из бензомаслостойких прорезиненных тканей. В центре мембраны крепятся металлические пластины, в одну из которых упирается винтовая пружина. Таким образом жесткость мембраны, а значит ее чувствительность, можно изменять. Чем меньше жесткость, тем больше чувствительность элемента.
Упругие свойства материалов чувствительных элементов зависят от температуры. Это определяет необходимость защиты приборов от воздействия высоких температур измеряемой среды, С течением времени у упругих чувствительных элементов накапливаются пластические деформации и уменьшаются упругие. Все это приводит к снижению крутизны статической характеристики прибора и ее смещению, а следовательно, к увеличению погрешности измерения.
Трубчато-пружинные показывающие манометры, вакуумметры и мановакуумметры
Прибор предназначен для измерения избыточного (манометрического) давления в жидких и газовых средах, а также вакуума в газовых средах. Применяются такие приборы при испытаниях на прочность и плотность трубопроводов и теплосетей, при эксплуатации насосных установок, в элеваторных узлах жилых, административных и промышленных зданий, при эксплуатации компрессорных установок и на теплоэлектростанциях, при эксплуатации емкостей с газом , в гидроприводе машин и механизмов и т.д.
Штуцер с резьбой 8 для присоединения прибора к месту измерения выполнен как одно целое с держателем 2. Внутри штуцера и держателя имеется канал, который сообщается с внутренней полостью трубки 1. Под действием избыточного давления или вакуума конец пружину Iперемещается. Поводок 4, прикрепленный к пружине, тянет (или толкает) зубчатый сектор 5. Сектор поворачивается и перемещает шестерню 6 со стрелкой 7 на угол φ. Трубчато-пружинные показывающие манометры выпускаются с верхним пределом измерения от 0,1 МПа до 10 3 МПа.
Пружинные вакуумметры имеют диапазон измерения 0,1 – 0 МПа, а мановакуумметры при нижнем пределе измерения 0,1 МПа имеют верхний предел измерения по избыточному давлению от 0,1 до 2,4 МПа. Образцовые доказывающие пружинные манометры имеют класс точности 1,5; 2,5 и 4, а рабочие манометры повышенной точности -0,6 и 1. Эти приборы обладают портативностью, универсальностью, простотой устройства и применения. Основной их недостаток — нестабильность показаний из-за постепенного изменения упругих свойств пружины, возникновения остаточной деформации в ней и износа передаточного механизма. Эти приборы необходимо периодически проверять, чтобы подтвердить класс точности или определить поправки, компенсирующие систематические погрешности приборов.
6.2. Упругие чувствительные элементы
К упругим чувствительным элементам относятся пружины, мембраны, сильфоны, манометрические трубки, термобиметаллические элементы, крыльчатки и другие. Эти элементы в основном используются для преобразования давлений, разрежений, усилий, деформаций и моментов в механическое, линейное или угловое перемещение.
Мембрана представляет собой круглую упругую пластину, жестко закрепленную по наружному контуру. Для повышения жесткости мембрану могут подвергать дополнительному натяжению. Наибольшее распространение получили металлические мембраны. Кроме того, применяют мембраны из кварца, резины, пластмасс. По форме различают мембраны плоские, гофрированные, выпуклые. Для повышения чувствительности применяют мембранные коробки, представляющие собой сваренные или спаянные по контуру мембраны. Если внутреннюю полость мембранной коробки соединить с измеряемой средой, то по прогибу ее жесткого центра 1 (рис.1) можно судить о величине избыточного давления Р. В некоторых мембранных коробках полости заполняют газом или жидкостью. Их называют наполненными и используют в качестве чувствительных элементов некоторых термометров и терморегуляторов.
Сильфон представляет собой тонкостенную цилиндрическую оболочку с поперечной гофрировкой (рис.2). Если подать давление Р в полость сильфона со стороны жестко закрепленного конца В, то это вызовет соответствующее перемещение W свободного конца А.
Рис 1. Наполненная мембранная коробка
Для увеличения прочности и чувствительности применяют многослойные сильфоны. Их изготавливают из нескольких тонких трубок, плотно вставленных одна в другую.
Рис.2. Схема сильфона
Манометрические трубчатые пластины используют для измерения избыточных давлений. Они представляют собой тонкостенные трубки вытянутого поперечного сечения (рис. 3). Трубку располагают таким образом, чтобы малая ось 2В сечения лежала в плоскости изгиба трубки. При заполнении полости трубки жидкостью под давлением происходит деформация сечения в направлении приближения его к круглой форме, а сама трубка разгибается.
Рис.3. Манометрическая трубчатая пластина
Термобиметаллы применяют в качестве чувствительных элементов температуры в термометрах, тепловых реле, амперметрах, ваттметрах и других. Термобиметалл состоит из двух металлов или сплавов, имеющих различные коэффициенты линейного расширения, обладающих хорошими упругими свойствами, спаяных или сваренных по всей поверхности соприкосновения. При нагревании или охлаждении компоненты биметалла деформируются в равной степени, что вызывает соответствующий изгиб. Изгиб будет тем больше, чем больше разность коэффициентов линейного расширения. Обычно пассивный элемент выполняют из инвара, а активный — из хромоникелевой стали. На рис. 4 показан чувствительный биметаллический элемент термометра. На рис.5 приведена схема биметаллического контакта.
Рис.4. Биметаллический элемент термометра
Рис.5. Биметаллический контакт
Крыльчатки применяют для измерения скоростей течения газов и жидкостей (рис.6). Под влиянием скоростного потока воздуха крыльчатка или вертушка совершает вращательное движение, угловая скорость которого пропорциональна скорости потока.
Манометры с упругими чувствительными элементами
В любом технологическом процессе одними из основных процедур являются различные измерения. Они необходимы для того, чтобы на производственных линиях выпускалась продукция действительно высокого качества, а для этого совершенно необходима та информация, которую предоставляют обслуживающему персоналу различные измерительные приборы.
Одной из их многочисленных разновидностей является манометр. Он предназначен для того, чтобы определять те значения давления различных газов, которые превышают атмосферное, или находятся на более низком уровне. Название этого прибора происходит от греческих слов, означающих в переводе на русский язык «измеряю» («метрео») и «неплотный» («манос»).
Подавляющее большинство используемых сейчас манометров в своей конструкции имеют так называемые деформационные чувствительные элементы. Их действие основывается на том, что под воздействием давления газов меняется изгибающий момент. Его значение определяется или тем усилием, которое развивает упругий элемент, или же перемещением.
Все манометры, которые разрабатываются и изготавливаются в Российской Федерации, должны соответствовать ГОСТ 8.271-77. Именно в этом стандарте определен принцип действия измерительного прибора, а также основные требования, которым ему надлежит соответствовать.
Следует заметить, что упругие чувствительные элементы распространены в технике весьма широко, и их можно встретить в самых разнообразных конструкциях и приборах. Например, они являются практически обязательными компонентами электромагнитных, тензометрических, емкостных измерителях давления, причем они считаются, по сути дела, их первичными элементами. Именно с их помощью осуществляется восприятие давления, а также такой важный процесс, как линейное перемещение. Оно, в свою очередь, нередко преобразуется в электрический сигнал.
Характеристики упругих элементов, применяемых в манометрах
Чувствительные элементы, которые используются в манометрах, обладают целым рядом метрологических характеристик. Основными из них являются:
• Нелинейность и постоянство упругой характеристики;
• Рабочий ход элемента;
• Условная линейная характеристика;
Под упругой характеристикой манометра понимается та зависимость, которая имеется между возрастающим или убывающим давлением (при прямом и обратном ходе соответственно), и перемещением заданной точки упругого элемента прибора. Ее нелинейность представляет собой то отклонение упругой характеристики, которое возникает от условной линейной характеристики при прямом ходе.
Рабочий ход представляет собой то расстояние перемещения заданной точки упругого чувствительного элемента, которое образуется тогда, когда он нагружается номинальным давлением.
Под чувствительностью манометров понимается то значение, которое образует отношение приращения перемещения некоей точки упругого элемента прибора к приращению приложенного давления.
Что касается такого явления, как гистерезис, то оно является, существенным недостатком который, влияет на характеристики современных манометров. Данное явление присуще всем чувствительным элементам, которые используются в этих приборах. Гистерезис представляет собой вариацию упругой характеристики, являющейся разницей между теми показаниями манометра, которые он демонстрирует при прямом и обратном ходе.
Условной линейной характеристикой манометра является отражение прямо пропорциональной зависимости между такими показателями, как перемещение некоей точки упругого элемента и прилагаемому к нему давлению газовой среды. При этом расчеты производятся для прямого хода, а начальная и конечная точки условной характеристики совпадают с теми, что определены для условной упругой характеристики.
Еще одним важным параметром, который присущ всем современным манометрам, является тяговое усилие. Оно представляет собой характеристику, зависящую от такого показателя, как эффективная площадь деформационного преобразующего элемента. Геометрически она определяется его габаритными размерами, а также теми показателями, которые он демонстрирует под влиянием нагрузки. Тяговое усилие по своему вектору направлено на преодоление сопротивления такого устройства, как передаточный механизм, а также пружин уравновешивания и т.п.
Следует отметить, что для всех современных манометров весьма актуальными является такая проблема, как температурное расширение металла. Поскольку чувствительные элементы закрепляются в корпусах весьма жестко, то этот процесс существенно влияет на точность измерения. Чтобы она была высокой, необходимо произвести согласование коэффициентов температурного расширения различных конструктивных элементов прибора.
К его чувствительным элементам манометров предъявляются повышенные требования в том, что касается прочности, технологии и точности обработки. При их изготовлении важно выбрать оптимальные режимы таких процессов, как отжиг и последующая нормализация. Обязательно следует также принимать во внимание и такой неизбежный процесс, как «старение» металла.
В современных манометрах в качестве чувствительных элементов чаще всего используются многовитковые трубчатые пружины; одновитковые пружины Бурдона; спиральные пружины; сильфоны; мембраны различных типов.