Манометры с упругими чувствительными элементами

Деформационные приборы широко применяют для измерения давления и его перепада благодаря их портативности, простоте и большому диапазону измерения - от нескольких паскалей до тысячи мегапаскалей. Принцип действия данных устройств основан на уравновешивании силы, создаваемой давлением или вакуумом контролируемой среды на чувствительный элемент, силами упругих деформаций различного рода упругих элементов. Эта деформация в виде линейных или угловых перемещений передается показывающей или самопишущей части прибора, а также может быть преобразована в электрический или пневматический сигнал для дистанционной передачи его на измерительный (вторичный) прибор или другие средства контроля или регулирования.

В деформационных приборах в качестве чувствительных элементов используют одновитковые трубчатые пружины, многовитковые трубчатые пружины, упругие мембраны, упругие мембранные коробки, двойные упругие мембранные коробки, пружинно-мембранные с гибкой (вялой) мембраной, сильфонные и пружинно-сильфонные.

Для изготовления мембран, сильфонов и трубчатых пружин необходим материал с высокой упругостью, антикоррозионностью, малой зависимостью параметров от изменения температуры, который также должен хорошо поддаваться технологической обработке, пайке и сварке. Указанным требованиям отвечают бронза, латунь и хромоникелевые сплавы.

Статическая характеристика упругого элемента представляет собой зависимость деформации К от приложенного давления Р, т.е. К =f(Р). В большинстве случаев эта зависимость имеет нелинейный характер, причем кривая нагружения не совпадает с кривой, соответствующей разгружению. Кроме того, при снятии нагрузки, т.е. при Р = 0, имеет место остаточный сигнал вследствие продолжающейся деформации материала. Это объясняется наличием гистерезиса материала, из которого изготовлен упругий чувствительный элемент.

Рисунок 4.2 - Деформационные чувствительные элементы

Мембранные приборы. Мембранные приборы применяют для измерения небольших давлений нейтральных газовых сред. Принцип Действия приборов основан на уравновешивании избыточного, абсолютного или вакуумметрического давления силами упругой деформации мембраны. Упругие элементы выполняют в форме тонкостенных металлических коробок, состоящих из двух гофрированных круглых мембран, выполненных из бериллиевой бронзы и сваренных между собой по контуру. Если внутреннюю полость мембранной коробки соединить с измеряемой средой, то по прогибу ее жесткого центра можно судить о величине измеряемого избыточного давления. Такие мембраны называются манометрическими.

При откачке воздуха из внутренней полости мембранной коробки до 13,3-40 Па и дальнейшей запайке получают анероидную коробку, с помощью которой измеряют абсолютное давление. Упругие мембранные коробки, применяемые для измерения атмосферного давления, называют барометрами-анероидами. В этом случае атмосферное давление воздействует на герметически закрытую мембранную коробку, внутренняя полость которой находится под вакуумом.

Устройство показывающего напоромера. Чувствительным элементом служит мембранная коробка, соединенная с измеряемой средой посредством трубки. Мембрана прикреплена к корпусу прибора с помощью штуцера. Изменение давления измеряемой среды вызывает соответствующее изменение прогиба мембранной коробки. При этом поводок, прикрепленный к верхней части мембранной коробки, поворачивает сидящий на оси рычаг. Под воздействием разности давлений мембранная коробка изменяет степень сжатия, вызывая перемещение рычага, тяги и рычага, сидящего на оси. На этой же оси закреплена стопорным винтом указательная стрелка. Конец стрелки передвигается вдоль шкалы.

Напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры по своему устройству аналогичны. Первые изготовляются с шкалой 250-25000 Па, а тягомеры - с шкалой 120-12000 Па. Класс точности данных приборов 1,5-2,5.

Сильфонные приборы. Сильфонные приборы предназначены для измерения избыточного и вакуумметрического давления воздуха и неагрессивных газов и используются как напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры с пределами измерения до 40 кПа, как манометры до 400 кПа, вакуумметры до -100 кПа и мановакуумметры (-100)÷(0) ÷ (+300 кПа).

Принцип действия сильфонных приборов основан на уравновешивании измеряемого давления силами упругой деформации сильфона и диапазонных цилиндрических пружин. Чувствительным элементом прибора является сильфон, представляющий собой тонкостенную цилиндрическую емкость с поперечной гофрировкой, которая изменяет свои линейные размеры при перепаде давлений внутри и вне ее. Сильфоны выполняют из фосфористой бронзы, коррозионно-стойкой стали или медноникелевого сплава. Сильфоны изготовляют прессованием с эффективной площадью F_эф = [(D + d)/4]² = 0,1÷160 см² с числом волн n = 4; 6; 10 и 16.

Применяют сильфоны диаметром 8-150, толщиной стенки 0,1-0,3 мм. Сильфоны соединяются с глухими донышками сваркой или пайкой. Действие на сильфон давления (внешнего или внутреннего) приводит к изменению длины его, сжатию или растяжению в зависимости от направления действующего усилия. Упругая характеристика сильфонов в пределах рабочего диапазона близка к линейной. Для увеличения жесткости и уменьшения влияния нелинейности характеристики внутрь сильфона помещают проволочную цилиндрическую винтовую пружину. Вследствие этого измеряемое давление уравновешивается силой упругой деформации сильфона и винтовой пружины.

Конструктивно приборы состоят из двух частей: сильфонного блока и показывающей (самопишущей) части, встроенных в один корпус.

Сильфонные манометры используются также в качестве вторичных измерительных приборов в комплекте с пневматическими преобразователями для передачи показаний на расстояние. В этом случае вторичные приборы имеют пределы измерения 0-100 кПа.

Трубчато-пружинные приборы. Приборы с трубчатой пружиной принадлежат к числу наиболее распространенных манометров, вакуумметров и мановакуумметров.

Действие их основано на использовании зависимости между упругой деформацией трубчатой пружины и внутренним давлением. Трубчатая пружина представляет собой тонкостенную согнутую по дуге окружности трубку вытянутого поперечного сечения. Изготовляются трубчатые пружины большей частью из медных сплавов или из коррозионностойкой стали в зависимости от назначения прибора и пределов измерения. Трубку в приборе располагают таким образом, чтобы малая ось сечения лежала в полости изгиба трубки. При заполнении полости трубки газом или жидкостью под давлением происходит деформаций сечения в направлении приближения к круглому, это вызывает появление усилий, которые заставляют трубку разгибаться. Таким образом, в пружинных приборах используется свойство, спиральной трубки раскручиваться при увеличении давления внутри нее и сжиматься при уменьшении давления.