ГЛАВА ДЕСЯТАЯ. ПРИБОРЫ ДАВЛЕНИЯ С УПРУГИМИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

10-1. Общие сведения и основные свойства упругих чувствительных элементов

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.