Сравнительный анализ приборов с упругими чувствительными элементами

2.1.2. Виды и материалы упругих чувствительных элементов

В качестве упругих чувствительных элементов в механических приборах измерения и контроля давления манометрических приборов наиболее часто используются (рис. 2.2):

• одновитковая трубчатая пружина (трубка Бурдона);
• многовитковая пружина;
• винтовая пружина;
• спиральная пружина;
• упругая мембрана как плоская, так и гофрирован-
  ная или мембрана вялая с жестким центром и без него;
• мембранная коробка (коробчатая мембрана) или сильфон.

Рис. 2.2. Типы упругих чувствительных элементов манометрических приборов: а – одновитковая трубчатая пружина; б – многовитковая трубчатая пружина; в – винтовая трубчатая пружина (геликоид); г — спиральная пружина; д – упругая мембрана как плоская, так и гофрированная, вялая с жестким центром и без него; е – мембранная коробка; ж – сильфон

Выбор между трубчатой пружиной, сильфоном и мембраной базируется на анализе следующих основных критериев:

· величина перемещения рабочей точки деформационного преобразователя при воздействии измеряемого давления и развиваемое тяговое усилие;

· минимальная остаточная деформация УЧЭ и работоспособность в диапазоне допустимых напряжений;

· минимальная металлоемкость и технологичность изготовления.

Одновитковые трубчатые пружины(рис.2.2а и 2.3а), называемые зачастую по имени владельца первого патента трубками Бурдона и изготавливаемые с плоскоовальной и эллиптической формами поперечного сечения — являются наиболее распространенными чувствительными элементами показывающих манометров для малых и средних давлений. Другие формы поперечного сечения УЧЭ, применяемые в практике манометрии, более детально представлены в разделе 2.2.1.

Многовитковые, объединяющие под своим названием 1,5- и 2,5-витковые трубчатые пружины, производятся из круглых трубок (рис. 2.2б и 2.3б) с практически не контролируемым профилем изгиба. Наиболее широко применяются в показывающих манометрах высоких и сверхвысоких давлений.

Винтовая трубчатая пружина (геликоид) (рис.2.2в), которой свойственны большие перемещения свободного конца, нашла применение в качестве чувствительного элемента в самопишущих приборах. В большинстве приборов изготавливается из плоскоовальных трубок.

Спиральная пружина (рис.2.2г и 2.3в) выполняется из плющенной трубы и используется наиболее часто в качестве чувствительного элемента манометров-индикаторов с малыми диаметрами корпусов – 20…40 мм. Такие преобразователи успешно используются некоторыми производителями в конструкциях манометрических термометров.

Трубчатые чувствительные элементы по сравнению с сильфонами, мембранами и мембранными коробками из-за существенно различающейся эффективной площади обладают малой тяговой силой. В производимых показывающих манометрических приборах эффективная площадь деформационных чувствительных элементов выбирается как достаточная для преодоления сопротивления со стороны передаточного механизма, вызываемого силами трения в посадочных гнездах осей вращения трибки и сектора, инерционностью массы указательной стрелки, а также для преодоления противодействия волосковой спиральной пружины.

Мембраны (рис. 2.2д, 2.3г) широко применяются в качестве чувствительных элементов приборов, измеряющих низкие значения давления. При малых и средних давлениях мембраны нашли применение в конструкциях приборов (раздел 2.3.1) для измерения давления вязких и загрязненных сред. Мерой давления в таких приборах является прогиб центра мембраны, трансформируемый на указательную стрелку с помощью различных механизмов.

Мембраны могут также выполнять роль разделительной перегородки в специальных устройствах (разделителях), применяемых в комплекте с общепромышленными приборами, для измерения давления сред с особыми физическими свойствами, например агрессивных, кристаллизующихся, высоковязких. Конструкции разделителей представлены в разделе 5.1.

Измерители низкого давления, такие как напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры, также функционируют на основе мембран (рис. 2.2г), мембранных коробок
(рис. 2.2д) или сильфонов (рис. 2.2е).

Сильфоны (рис.2.2е) представляют собой осесимметричную трубчатую гофрированную оболочку. Наличие гофров обеспечивают под воздействием давления значительные перемещения. Такие устройства могут обеспечивать существенные тяговые усилия. Сильфоны нашли применение, как отмечалось выше, в приборах измерения малых давлений, а также дифференциальных манометрах, разделителях.

Рис. 2.3. Вид пружинных чувствительных элементов: а – трубчатые одновитковые пружины Бурдона; б – многовитковые чувствительные элементы; в – спиральный чувствительный элемент; г – упругая плоская мембрана

При выборе измерительного средства необходимо обращать внимание на материал упругого элемента, его инертность по отношению к измеряемой среде, физические свойства анализируемой среды, геометрию чувствительного элемента прибора, конструкцию измерительного прибора. Так, например, несовместимы медные сплавы с аммиачной средой. Ряд сред проявляют агрессивность даже по отношению к нержавеющей стали. К большим погрешностям также могут приводить измерения быстро изменяющегося давления высоковязкой среды с прибором с установленным демпферным устройством. Кристаллизующиеся, а также изменяющие текучесть или даже фазовое состояние жидкости могут нарушить функционирования трубчатой пружины или коробчатой мембраны измерителя и сделать невозможным их последующее использование.

Трубчатые пружины являются чувствительными элементами наиболее распространенных показывающих манометрических приборов. Простота конструкции, высокая надежность в работе, относительно низкая себестоимость изготовления, удобство в эксплуатации предопределили их широкое распространение.

Материалы, применяемые большинством производителей манометрических приборов, следующие:

— для общепромышленных приборов – медные сплавы

ЛАНКМц, Л63, CuSn 8, CuBe 2 и др.;

— для приборов имеющих контакт с агрессивной измеряемой средой – 36НХТЮ, 42НХТЮ, 1.4571 (316) и др.

Следует отметить, что некоторые отечественные приборостроительные предприятия широко применяют марки сплавов ЛАНКМц и Л63 из-за их невысокой стоимости. Но, к сожалению, качество заготовок для трубчатых пружин оставляет желать лучшего. Так, например, заготовки отечественного производителя трубок для чувствительных элементов даже для высоких давлений в ряде случаев при незначительной формовке растрескивались по производственному шву.

Кроме того, ГОСТ 2405-88 3 регламентирует работу манометрических приборов, изготовленных из вышеуказанных сплавов в диапазоне температур –50.. +50 о С окружающего воздуха и измеряемой среды. Понятно, что при установлении диапазона температур для точного функционирования прибора в первую очередь учитываются свойства упругого чувствительного элемента.

В соответствии с ГОСТ 10994-74 6 детали, произведённые из сплава марки 42НХТЮ, могут работать при температуре до 100 о С, в то время как сплав 36НХТЮ обеспечивает работоспособность до 250 о С.

Таким образом, в условиях конкуренции на современном производстве манометрических приборов необходимо повышать как качество производства приборов, так и качество используемых комплектующих. Вполне естественно, что со временем свойства металла морально устаревают и на его смену приходят более новые, с улучшенными свойствами и качествами. Поэтому при производстве общетехнических приборов необходимо использовать медный сплав марки CuSn 8, а для приборов устойчивых к воздействию агрессивной среды – 36НХТЮ или европейский сплав 1.4571.

Кроме того, латунь имеет меньшую температуру плавления по сравнению с медью, бронзой и нержавеющей сталью, поэтому будет разумным использование чувствительных элементов из латуни до 100-120 о С. Но для более чёткого и ясного представления температурных возможностей данных сплавов необходимо провести исследования на воздействие температуры измеряемой и окружающей сред.

Более детальное описание материалов, применяемых для изготовления УЧЭ, представлено в /2-3,2-7,2-8 и др./.

© 2002 — 2022. НПО ЮМАС
Разработка и производство приборов измерения давления и температуры: манометров, термометров,
напоромеров и клапанов в Москве, Екатеринбурге, Самаре, Санкт-Петербурге, Уфе, Омске, Тюмени и Нижнем Новгороде.
Все права защищены.

Уважаемый пользователь. Уведомляем Вас о том, что персональные данные, которые Вы можете оставить на сайте, обрабатываются в целях его функционирования. Если Вы с этим не согласны, то пожалуйста покиньте сайт. В противном случае это будет считаться согласием на обработку Ваших персональных данных.
Политика конфиденциальности

Источник

Устройство, принцип действия и область применения приборов с упругими чувствительными элементами

Действие пружинных приборов основано на измерении величины деформации различного вида упругих элементов. Деформация упругого чувствительного элемента преобразуется передаточными механизмами того или иного вида в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора 2.

Наиболее широко применяются приборы (манометры, вакуумметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой трубчатой пружиной. Основная деталь прибора с одновитковой трубчатой пружиной — согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения (рис. 2). Одним концом трубка заделана в держатель, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки (рис. 2).

Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшится, и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Так как один конец трубки закреплен, то при изменении кривизны трубки ее свободный конец перемещается по траектории, близкой к прямой, и при этом воздействует на передаточный механизм, который поворачивает стрелку показывающего прибора.

Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости является следствием изменения формы сечения. Под действием измеряемого давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь под действием силы F=P*S, где S=площадь воздействия давления, приближается к круговому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая уменьшается).

Рис 2. Схема трубчатой пружины (а) и ее

эллипти­ческое (б), плоскоовальное (в) поперечные сечения:

Источник

Сравнительный анализ приборов с упругими чувствительными элементами

Приборы давления, основанные на использовании деформации или изгибающего момента упругих чувствительных элементов, воспринимающих измеряемое давление среды и преобразующих его в перемещение или усилие, применяют в различных областях техники в широком диапазоне измерений — от 5 кгс/м2 (50 Па) до 10 000 кгс/см2 (1000 МПа). Они изготовляются в виде тягомеров, напоромеров, тягонапоромеров, манометров, вакуумметров и мановакуумметров. Эти приборы подразделяются на следующие разновидности:

1. Приборы давления прямого действия — показывающие и самопишущие, у которых перемещение центра или свободного конца упругого чувствительного элемента, вызываемое действием давления, при помощи дополнительного механизма преобразуется в перемещение отсчетного устройства для показания или для показания и записи измеряемой величины.

2. Приборы давления прямого действия и реле давления (без отсчетных устройств), снабженные электроконтактами и предназначенные для целей измерения и сигнализации или только сигнализации отклонения давления от заданного значения, а также для работы в схемах защиты, блокировки или позиционного регулирования.

3. Первичные приборы давления с отсчетными устройствами или без них, снабженные передающими преобразователями с унифицированными выходными сигналами переменного тока или пневматическим и составляющие с взаимозаменяемыми вторичными показывающими или самопишущими приборами отдельные измерительные комплекты. Некоторые приборы этого типа используются также в системах автоматического регулирования и управления.

4. Первичные приборы давления с отсчетными устройствами или без них, снабженные передающими преобразователями с унифицированным выходным сигналом постоянного тока и предназначенные для работы с взаимозаменяемыми вторичными показывающими

или самопишущими приборами в системах автоматического регулирования и с информационно-вычислительными машинами.

В зависимости от назначения приборы давления с упругими чувствительными элементами разделяются на образцовые и рабочие.

В качестве упругих чувствительных элементов в приборах давления используются мембраны, мембранные коробки, сильфоны и трубчатые пружины. Мембраны, мембранные коробки и сильфоны применяют в качестве чувствительных элементов также и в дифманометрах

Одной из основных характеристик упругого чувствительного элемента является зависимость перемещения К определенной его точки от действующей нагрузки (давления или разности давлений) или сосредоточенной силы Статическая характеристика или упругого чувствительного элемента в зависимости от конструкции и способа его нагружения может быть линейной и нелинейной. Обычно при проектировании упругих чувствительных элементов стремятся получить линейную их характеристику, а в случае нелинейной характеристики для получения равномерной шкалы прибора применяют различные спрямляющие устройства.

Важными параметрами, определяющими рабочие качества упругого. чувствительного элемента, являются его жесткость, а также чувствительность — величина, обратная жесткости. Если статическая характеристика или упругого чувствительного элемента линейна, то жесткость равна отношению силы или давления к соответствующему перемещению К

где жесткость по силе в жесткость по давлению в

Чувствительность упругого элемента представляет собой величину, обратную жесткости,

где чувствительность по силе в чувствительность по давлению в

При нелинейной статической характеристике жесткость и чувствительность упругого элемента изменяются с давлением и определяются следующими выражениями:

Если перемещение определенной точки упругого чувствительного элемента под действием давления или разности давлений равно перемещению под влиянием сосредоточенной силы то имеет место равенство сил

Здесь эффективная площадь упругого чувствительного элемента.

Значение эффективной площади зависит от размеров упругого чувствительного элемента и характера его деформаций под нагрузкой. Если упругий чувствительный элемент имеет линейную характеристику по давлению, то его эффективная площадь практически остается постоянной на всем участке рабочего хода.

Согласно равенствам (10-1-1) и (10-1-3) эффективную площадь можно выразить как отношение жесткости по силе к жесткости по давлению

Приведенные соотношения и введенное понятие эффективной площади упругого чувствительного элемента позволяют осуществлять переход от характеристики по силе к характеристике по давлению и наоборот.

Рис. 10-1-1. Статическая характеристика упругого чувствительного элемента с гистерезисом.

Для обеспечения надежной работы упругого чувствительного элемента необходимо, чтобы размер напряжений, возникающих в материале его под действием внешних и внутренних сил, не превышал предела упругости.

Вследствие несовершенства упругих свойств реальных материалов ход статической характеристики чувствительного элемента при увеличении и уменьшении нагрузки в пределах упругих деформаций неоднозначен и образует так называемую петлю гистерезиса (рис. 10-1-1, а). Размер гистерезиса является важной характеристикой, поскольку он определяет погрешность прибора. Существенное влияние на размер гистерезиса оказывают химический состав, структура материала и значение напряжений в материале чувствительного элемента. Гистерезис выражается обычно в процентах:

здесь определяются, как показано на рис. 10-1-1, а.

Несовершенство упругих свойств материала выражается также в том, что при постоянной нагрузке возможно изменение деформаций во времени. Это явление называется последействием. Если после снятия нагрузки деформации по истечении некоторого времени исчезают полностью, то такое последействие называется упругим. В результате упругого последействия стрелка прибора после снятия нагрузки не сразу возвращается на нуль. Следует иметь в виду, что упругое последействие, складываясь с «чистым» гистерезисом, дает увеличение петли гистерезиса (рис. 10-1-1, б). Поскольку имеет место одновременное проявление упругого последействия и «чистого» гистерезиса, то в практике их обычно не разделяют, а результат их совместного действия называют «практическим гистерезисом» или просто гистерезисом.

Стабильность характеристик упругого чувствительного элемента во времени может измениться вследствие пластического течения ползучести материала, которое может возникнуть при нормальной температуре и напряжениях, меньших предела упругости. Это связано с неоднородностью структуры материала и появлением в его микрообъемах остаточных напряжений при изготовлении. Пластическое течение материала во времени может проявляться в форме пластического последействия и релаксации.

Под пластическим последействием понимают явление, при котором некоторая часть деформации в чувствительном элементе сохраняется при полной его разгрузке по истечении любого интервала времени. Известно, что увеличение пластической деформации приводит к уменьшению упругой деформации, а вместе с тем к уменьшению напряжений в материале чувствительного элемента. По истечении достаточно длительного времени напряжения в чувствительном элементе могут полностью исчезнуть. Ослабление напряжений с течением времени при условии постоянной деформации называется релаксацией напряжений. Интенсивная релаксация напряжений в упругом чувствительном элементе может быть причиной выхода его из строя.

Для уменьшения влияния релаксации и последействия на рабочие качества упругих чувствительных элементов они подвергаются в процессе изготовления стабилизации, т. е. специальной технологической операции, во время которой процессы пластического течения почти полностью заканчиваются.

Поскольку при работе упругого чувствительного элемента возникновение заметных пластических деформаций недопустимо, рабочие напряжения должны оставаться меньше предела упругости. Для правильно спроектированного упругого чувствительного элемента наибольшее рабочее напряжение не должно превышать где предельное напряжение, при котором упругий элемент достигает предельного состояния, недопустимого для его нормальной работы, коэффициент запаса. Необходимое значение коэффициента запаса определяется требуемой

надежшестью упругого чувствительного элемента, условиями его работы, достоверностью данных о механических свойствах материала, точностью расчета напряжений

Упругие чувствительные элементы обычно изготовляют из достаточно пластичных материалов, которые в результате специальной технологической операции способны приобрести высокую упругость и прочность. Из числа применяемых материалов наилучшими технологическими и эксплуатационными свойствами обладают дисперсионно-твердеющие сплавы, например и др.

При применении приборов давления следует иметь в виду, что в условиях переменной температуры изменение модуля упругости большинства материалов упругих чувствительных элементов приводит к появлению дополнительной температурной погрешности показаний прибора. В некоторых случаях дополнительная температурная погрешность может возникнуть также в результате изменения линейных размеров упругого чувствительного элемента при его нагреве.

Источник