3. Приборы измерения давления с упругими чувствительными элементами
а) Плоские мембраны
б) Гофрированные мембраны и мембранные коробки
в) Сильфоны
г) Трубчатые манометры
д) Электроконтактные манометры
е) Реостатные манометры
Приборы для измерения давления, основанные на упругой деформации чувствительных элементов под действием измеряемой величины, широко применяют в диапазоне от 50 Па до 1000 МПа. Деформация или сила, пропорциональная давлению, преобразуется в показания прибо-
Рис. 2. Упругие чувствительные элементы приборов для изменения давления (а, б — мембраны, в — мембранная коробка, г — сильфон, д — трубчатая пружина) и их статические характеристики (е)
ра или в изменения выходного сигнала. Такие приборы изготовляют в виде тягомеров, напоромеров, манометров и _вакуумметров.
В качестве упругих чувствительных элементов приборов для измерения давления применяют мембраны (рис. 2, а, б), мембранные коробки (рис. 2, в), сильфоны (рис. 2, г), трубчатые пружины (рис. 2, д). Мембраны, мембранные Коробки и сильфоны используют также и в дифманометрах.
Чувствительный элемент прибора характеризуется зависимостью перемещения его рабочей точки ΔХ от действующего давления или разности давлений Р(рис. 2, е). Обычно эту зависимость в приборе стремятся получить линейной, для чего используют прочные сплавы цветных металлов с высоким модулем упругости. С ростом измеряемого давления упругие деформации перейдут в пластические и зависимость ΔХот Рстанет нелинейной. При эксплуатации приборов давления зона упругих деформаций может уменьшиться из-за повышения температуры окружающей среды, поэтому первичные приборы приходится размещать вдали от горячих объектов. Кроме того, с течением времени из-за циклических нагрузок под действием давления упругие свойства чувствительных элементов утрачиваются и накапливаются пластические деформации. Таким образом, оба эти фактора отрицательно влияют на надежность чувствительных элементов приборов давления, что необходимо учитывать при их эксплуатации.
Рассмотрим подробнее приборы для, измерения давления с различными упругими чувствительными элементами. Манометры с трубчатой пружиной в большинстве случаев являются приборами, в которых измеряемое давление последовательно преобразуется в перемещение незакрепленного конца пружины и связанного с ним показывающего, регистрирующего, сигнализирующего устройства (в первичных приборах) или преобразователем давления в унифицированный электрический сигнал (в схемах дистанционной передачи сигналов вторичному прибору).
В настоящее время выпускают показывающие и самопишущие манометры с одновитковой (МТ, МП) трубчатой пружиной. Верхний предел измеряемого давления определяется стандартным рядом (0,6; 1; 1,6; 2,5; 4)-10n МПа, где п= —1; 0; 1; 2; 3. Пружинные вакуумметры имеют диапазон измерения от —0,1 до 0 МПа.
Принцип действия манометров с трубчатой пружиной показан на рис. 3, где изображен манометр МТ. Чувствительный элемент манометра выполнен в виде полой одновитковой трубчатой пружины 3, центральная ось которой представляет собой дугу окружности с углом 200—270°. Один конец пружины, в который через радиальный штуцер 5 поступает давление, закреплен, а второй (закрытый) может перемещаться. Сечение трубчатых пружин может быть в виде эллипсоида (пружина Бурдона) или плоскоовальное.
При подаче в трубку давления сечение деформируется (пунктирные линии см. на рис. 2, д) и пружина стремится распрямиться, перемещаясь в направлении величины ΔХ. Ее чувствительность тем больше, чем больше радиус кривизны Rи чем меньше толщина стенки сечения δ.
Трубчато-пружинные манометры МЭД выпускают с дифференциально-трансформаторными преобразователями, встроенными в корпус прибора. Другие манометры МПЭ выпускают с преобразователями магнитной или силовой компенсации. Верхние пределы измерений давления этих манометров от 4 до 60 МПа и от 4 до 100 МПа.
В пружинных манометрах применяют также пневматические преобразователи, позволяющие получать на выходе унифицированный сигнал по давлению воздуха.
Рис. 3. Устройство манометра с одновитковой пружиной: 1 — стрелка, 2,3 — пружины, 4 - поводок, 5 — штуцер |
Разновидностью приборов для измерения давления с упругой пружиной в качестве чувствительного элемента являются колокольные дифманометры, предназначенные для дистанционного измерения разности давлений, избыточного и вакуумметрического давлений.
В другой группе приборов для измерения давления чувствительные элементы выполняют в виде сильфона.
Сильфон (см. рис. 2, г) представляет собой тонкостенную трубку с кольцевыми гофрами на боковой поверхности. Его упругость определяется материалом и толщиной стенки, числом гофр и их кривизной. Первичные приборы с сильфоном выпускаются показывающими (индекс «П») и самопишущими (индекс «С»). Поскольку сильфоны более чувствительны к изменению давления, чем трубчатые пружины, приборы с ними применяют для измерения сравнительно небольших разрежений и давлений.
Самыми разнообразными по конструкции чувствительных элементов являются приборы с мембранными элементами. Плоская мембрана (см. рис. 42, а) представляет собой гибкую пластину, закрепленную по окружности. При подаче давления в одну из камер, разделенных мембраной, центр ее окружности перемещается на величину, ΔХ. Статическая характеристика плоской мембраны имеет нелинейный вид, поэтому такие мембраны в приборах давления неиспользуют. Для линеаризации статической характеристики применяют гофрированные мембраны (см. рис. 2, б)и мембранные коробки (см. рис. 2, в). Чаще всего используют мембранные коробки, жесткость которых меньше чем жесткость отдельной мембраны. Это приводит к росту крутизны статической характеристики и увеличению зоны перемещений, пропорциональных приложенному давлению.
Мембранные чувствительные элементы имеют статическую характеристику зависимости (ΔХ от Р) более крутую, чем сильфоны, что позволяет широко использовать их для измерения малых напоров и разрежений.