Главная > Теплотехнические измерения и приборы
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566
567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
577
578
579
580
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590
591
592
593
594
595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630
631
632
633
634
635
636
637
638
639
640
641
642
643
644
645
646
647
648
649
650
651
652
653
654
655
656
657
658
659
660
661
662
663
664
665
666
667
668
669
670
671
672
673
674
675
676
677
678
679
680
681
682
683
684
685
686
687
688
689
690
691
692
693
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

10-2. Упругие чувствительные элементы

Ниже рассматриваются наиболее распространенные типы упругих чувствительных элементов, применяемых в приборах давления, а также в дифференциальных манометрах

Плоские мембраны. Плоские мембраны, изготовляемые из стали и бронзы, представляют собой круглые тонкостенные пластины постоянной толщины. Под действием равномерно распределенного давления или сосредоточенной силы заделанная по краям плоская мембрана прогибается при наличии не только изгибных деформаций, но и растягивающих напряжений и вследствие этого имеет нелинейную статическую характеристику (рис. 10-2-1). При использовании плоских мембран в качестве рабочего участка используется обычно небольшая часть возможного хода ее.

Рис. 10-2-1. Плоская мембрана и ее статическая характеристика.

Плоские мембраны находят применение главным образом в приборах давления специальных конструкций, например пьезокварцевых, емкостных, индуктивных, с тензопреобразователями и т. д. Приборы этого типа обладают малой инерционностью и их можно использовать для измерения переменных давлений с частотой до нескольких сотен и тысяч герц.

Выпуклые мембраны. Выпуклые (хлопающие) мембраны, изготовляемые из стали или бронзы, могут быть использованы в реле

давления для сигнализации отклонения давления от заданного значения. При воздействии давления на мембрану ее прогиб на начальном участке статической характеристики (рис. 10-2-2) возрастает плавно. Далее при увеличении давления происходит потеря устойчивости мембраны и она изменяет свой прогиб скачком (участок характеристики). При этом мембрана замыкает или размыкает электроконтакты, показанные схематично на рис. 10-2-2. При дальнейшем увеличении давления прогиб мембраны на участке характеристики будет снова возрастать монотонно. Если давление уменьшится до значения то мембрана также скачком возвращается на участок характеристики Размеры «хлопающих» мембран обычно подбирают опытным путем.

Рис. 10-2-2. Выпуклая мембрана и ее статическая характеристика.

Гофрированные мембраны и мембранные коробки. Гофрировка поверхности мембраны в виде кольцевых волн значительно повышает надежность ее работы и спрямляет характеристику мембраны. На рис. 10-2-3 показаны наиболее распространенные формы профилей гофрированных мембран. Гофрированные одиночные мембраны в качестве чувствительных элементов применяются редко. Наибольшее применение в приборах давления (тягомерах, напоромерах, дифманометрах и других приборах) получили мембранные коробки, образованные двумя спаянными или сваренными гофрированными мембранами (рис. 10-2-4, а), и блоки из двух или нескольких мембранных коробок (рис. 10-2-4, б).

Рис. 10-2-3. Формы профилей гофрированных мембран. а - синусоидальная; б - трапецеидальная; в — пильчатая.

В тех случаях, когда необходимо иметь минимальный объем внутренних полостей чувствительного элемента, например при измерении перепада давления (что является желательным особенно для дифманометров-расходомеров), применяют блок, состоящий из двух складывающихся мембранных коробок с жидкостным заполнением (рис. 10-2-4, е). Такой мембранный блок, разработанный на заводе «Манометр», не теряет своих свойств в случае перегрузки давлениями Если фактическая разность давлений превышает верхний предел измерений, на который рассчитан прибор, или одна из мембранных коробок находится под воздействием односторонней перегрузки давлением, повреждения мембранной коробки не произойдет, так как обе мембраны сложатся по профилю, вытеснив жидкость во вторую коробку.

Для защиты мембранных коробок от возможной перегрузки давлением применяют также специальные упоры, ограничивающие деформацию мембран.

На рис. 10-2-5 представлены кривые, дающие общее представление о влиянии гофрировки мембран на их статическую характеристику. Как видно из графиков, плоская мембрана, лишенная гофрировки имеет нелинейную характеристику, а неглубокая гофрировка приводит к значительному ее спрямлению. Дальнейшее увеличение глубины гофр приводит практически к линейной характеристике мембраны за счет большего сопротивления изгибу, чем у мембраны с мелкой гофрировкой.

Рис. 10-2-4. Мембранная коробка и мембранные блоки. а — мембранная коробка; б - блок, собранный из трех мембранных коробок; в — блок из двух складывающихся мембранных коробок с жидкостным заполнением.

С увеличением глубины гофрировки жесткость мембраны возрастает. Следует отметить, что влияние формы профиля на характеристику мембраны сравнительно невелико, поэтому принято воздействовать на эту характеристику путем изменения глубины гофрировки или толщины материала. Форму профиля и число волн обычно выбирают из технологических или конструктивных соображений. В тех случаях, когда необходимо уменьшить жесткость на некотором участке характеристики мембраны, последней придают небольшую выпуклость.

Методы расчета и проектирования мембранных чувствительных элементов при различных условиях работы изложены в [50].

Неметаллические мембраны. Кроме металлических мембран в напоромерах, тягомерах, дифманометрах, измеряющих малые давления и разности давлений, применяют неметаллические (вялые) мембраны. Эти мембраны изготовляют из специальной сетчатой ткани (капрона, шелка), покрытой бензомаслостойкой резиной или пластмассой.

Неметаллические мембраны, как правило, снабжаются жестким Центром, диаметр которого обычно составляет примерно 0,8 рабочего (рис. 10-2-6, а). Для обеспечения постоянства эффективной площади кольцевая часть мембраны выполняется с гофром,

отформованным при изготовлении ее. Мембрана с плоской кольцевой частью применяется реже, так как эффективная площадь такой мембраны может значительно изменяться. Иногда мембрану с плоской кольцевой частью устанавливают в корпусе прибора с некоторым расслаблением, а при работе она под действием давления или разности давлений натягивается и приобретает форму, аналогичную показанной на рис. 10-2-6, а. Следует, однако, отметить, что стабильность эффективной площади таких мембран ниже, чем у мембран с гофром, выполненным при изготовлении.

Рис. 10-2-5. Влияние глубины гофрировки на статическую характеристику мембраны.

Значение эффективной площади вялой мембраны можно определить по формуле где эффективный радиус. Характеристики вялых мембран обычно снимают экспериментально, так как рассчитать их аналитически не представляется возможным. Жесткость неметаллической мембраны недостаточна, поэтому ее снабжают винтовой, а иногда плоской пружиной (рис. 10-2-6, б). В таком случае пружина с мембраной выполняют функции упругого элемента.

Сильфоны. Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с поперечной гофрировкой (рис. 10-2-7, а).

Рис. 10-2-6. Неметаллические мембраны с жестким центром.

Сильфоны применяются в напоромерах и тягомерах для измерения небольшого давления до (40 000 Па), в приборах для измерения вакуумметрического давления до абсолютного давления до избыточного давления до и разности давлений до Сильфоны при работе на сжатие выдерживают давление в раза большее, чем при воздействии давления изнутри.

Жесткость сильфона зависит от геометрических его размеров, толщины стенок заготовки трубки и упругих свойств материала, радиуса закругления гофра и угла уплотнения а (рис. 10-2-7, а). В тех случаях, когда необходимо увеличить жесткость сильфона, его снабжают винтовой цилиндрической пружиной (рис. 10-2-7, б).

Рис. 10-2-7. Сильфоны бесшовные.

Эффективная площадь сильфона с достаточной точностью может быть определена по эмпирической формуле

где и радиусы сильфона, соответственно наружный и внутренний.

Статическая характеристика сильфонов или линейна в относительно небольших диапазонах перемещений, эффективная же площадь сильфона отличается высокой стабильностью в пределах рабочего участка характеристики. Поэтому в приборах давления сильфоны используют в режиме небольших прогибов.

Бесшовные сильфоны изготовляют гидравлическим или механо-гидравлическим способом из цельнотянутых тонкостенных трубок. В приборостроительной промышленности применяют также сварные сильфоны. Эти сильфоны изготовляют путем штамповки мембран из листового металла с последующей их сваркой по внутреннему и наружному контурам. На рис. 10-2-8 показан сварной сильфон симметричного профиля; применяют сильфоны и других типов, например со складывающимися гофрами. Методы расчета и проектирования бесшовных и сварных сильфонов изложены в

Рис. 10-2-8. Сильфон сварной.

Трубчатые пружины. Трубчатые пружины чаще всего выполняются в виде одновитковых, центральная ось которых представляет собой дугу окружности с центральным углом у, равным 200—270° (рис. 10-2-9, а). Из числа этих пружин наиболее широкое применение получили пружины Бурдона эллиптического (рис. 10-2-9, б) и плоскоовального (рис. 10-2-9, в, г) сечения. Большая ось 2а поперечного сечения расположена перпендикулярно радиусу кривизны центральной оси (среднему радиусу) пружины. Один конец пружины Бурдона закрепляют неподвижно, а другой — свободный, закрытый пробкой и запаянный — соединяют с механизмом прибора,

передающим преобразователем или другим устройством. Тонкостенные пружины Бурдона применяют в приборах для измерения вакуумметрического давления до и избыточного давления до Для измерения избыточного давления до применяют толстостенные пружины овального сечения (рис. 10-2-9, в, г).

Под действием давления, подаваемого во внутреннюю полость трубки, пружина Бурдона деформируется в поперечном сечении, принимая форму, изображенную на рис. 10-2-9, б пунктиром.

Рис. 10-2-9. Одновитковая трубчатая пружина эллиптического и плоскоовального сечения.

При этом продольное волокно элемента пружины, выделенного двумя близкими поперечными сечениями, переходит на дугу большего радиуса в положение а волокно в положение на дугу меньшего радиуса (рис. 10-2-9, д). Вследствие того что волокна стремятся сохранить свою первоначальную длину, поперечные сечения пружины Бурдона будут поворачиваться против часовой стрелки. Пружина будет разгибаться, и ее свободный конец совершит некоторое линейное перемещение При этом уменьшается кривизна трубки на угол (рис. 10-2-9, а).

Трубчатая пружина тем чувствительнее, чем больше радиус ее кривизны и чем меньше толщина (рис. 10-2-9, б) стенок трубки. Кроме того, чувствительность пружины Бурдона, а также и ее жесткость в сильной степени зависят от отношения осей поперечного сечения и формы сечения вблизи концов большой оси. Чем большую часть сечения занимают участки вблизи концов большой оси сечения, тем значительнее сопротивление, которое будут встречать волокна, расположенные вблизи концов малой

оси, в своем стремлении повернуть сечение пружины, это согласуется и с практикой, например, пружина эллиптического сечения обладает большей чувствительностью и меньшей жесткостью, чем плоскоовального сечения.

Рис. 10-2-10. Схема перемещения свободного конца трубчатой пружины.

Пружина круглого сечения практически нечувствительна к давлению, так как ее поперечное сечение не деформируется при воздействии давления.

Наиболее полно теория и методика расчета характеристик пружин Бурдона разработана В. И. Феодосьевым и Л. Е. Андреевой в работах [48, 53]. Ниже, пользуясь этими работами, приводим конечные формулы для определения некоторых основных характеристик пружин Бурдона.

Относительное изменение центрального угла тонкостенной пружины Бурдона в зависимости от давления определяется по формуле

где коэффициенты, зависящие от отношения (табл. 10-2-1); модуль упругости материала пружины; — толщина стенки; коэффициент Пуассона; к — главный параметр пружины Бурдона, согласно формуле Остальные обозначения соответствуют принятым на рис. 10-2-9.

Таблица 10-2-1 (см. скан) Значения коэффициентов к формулам для расчета трубчатых пружин Бурдона

Полное перемещение К свободного конца пружины Бурдона определяется как геометрическая сумма радиального и тангенциального перемещений (рис. 10-2-10);

где

Заменяя в формуле выражением (10-2-2) и учитывая соотношений получаем:

где жесткость тонкостенной пружины Бурдона к воздействию давления.

Чуствительность пружины Бурдона по давлению как это следует из (10-2-4), равна:

.Направление полного перемещения X свободного конца пружины, а следовательно, и значение угла (рис. 10-2-10) определяется по формуле

Изменение объема внутренней полости тонкостенной пружины Бурдона определяется в зависимости от давления по формуле

или в зависимости от перемещения свободного конца пружины

где коэффициент, значения которого приведены в табл. 10-2-1.

Для пружин Бурдона толстостенных с сильно вытянутым плоскоовальным сечением (рис. 10-2-11) относительное изменение центрального угла определяется по формуле

Значение коэффициента определяется в зависимости от главного параметра к пружины по графику, представленному на рис. 10-2-11. Для определения значения полного перемещения К свободного конца толстостенной пружины Бурдона можно воспользоваться выражением (10-2-4).

Статическая характеристика пружин Бурдона линейна. Для обеспечения надежной работы соотношение размеров сечения пружины Бурдона выбирают обычно с таким расчетом, чтобы обеспечивались необходимый запас прочности ее и достаточное перемещение свободного конца пружины (не менее При сверхвысоких давлениях (более пружина Бурдона, как показывает опыт отечественных приборостроительных заводов, не обеспечивает достаточного запаса прочности.

Для измерения сверхвысокого давления до и выше применяют одновитковые трубчатые пружины с эксцентричным каналом (рис. 10-2-12), предложенные В. Г. Нагаткиным [55]. Нейтральная ось этой пружины, проходящая через центр тяжести С поперечного сечения, смещена на некоторый размер I относительно оси канала, проведенной через его центр (рис. 10-2-12).

Перемещение к свободного конца рассматриваемой пружины происходит не из-за деформации поперечного сечения, а потому, что под действием внутреннего избыточного давления в поперечном сечении возникает изгибающий момент. Равнодействующая сил давления приложенных в полости канала пружины (рис. 10-2-12), равна и проходит через ось канала. Приводя ее к центру тяжести С поперечного сечения, получаем изгибающий момент и нормальную силу Под действием этого момента пружина изгибается в сторону более толстой стенки и ее свободный конец перемещается на размер К. При этом перемещение свободного конца и изменение кривизны оси пружины будут пропорциональны изгибающему моменту а вместе с тем и давлению

Рис. 10-2-11. График для определения коэффициента в зависимости от .

Поперечное сечение пружины Нагаткина деформируется под действием внутреннего избыточного давления незначительно и напряжения распределяются более равномерно, чем в толстостенной пружине Бурдона плоскоовального сечения (см. рис. 10-2-9, г).

Рис. 10-2-12. Одновитковая трубчатая пружина с эксцентричным каналом.

Поэтому пружины с эксцентричным каналом обладают значительно большей прочностью, чем толстостенные пружины Бурдона.

Для определения основных параметров одновитковой пружины с эксцентричным каналом воспользуемся расчетными формулами, даваемыми в статье [55].

Полное перемещение X свободного конца пружины Нагаткина определяется как геометрическая сумма радиального и тангенциального перемещений (рис. 10-2-10):

где

здесь площадь сечения пружины, осевой момент инерции сечения пружины, согласно формуле

где эксцентриситет отверстия; расстояние от центра канала до центра тяжести С (рис. 10-2-12).

Значение угла (см. рис. 10-2-10) для пружины Нагаткина можно определить с помощью формул (10-2-6), (10-2-11) и (10-2-12).

Подсчитав значение X, можно определить жесткость и чувствительность пружины, воспользовавшись приведенными выше соотношениями.

Верхние пределы измерения выпускаемых манометров с пружиной Нагаткина — от 1000 до

Для измерения сверхвысокого давления применяют также прямолинейные трубчатые пружины с эксцентричным каналом (рис. 10-2-13). Под действием внутреннего избыточного давления в поперечном сечении этой трубки, так же как и в пружине Нагаткина, возникает изгибающий момент, который изгибает трубку в сторону более толстой стенки. Пружины этого типа применяются только в компенсационных манометрах с пневматическим и электрическим токовым выходными сигналами. Верхние пределы измерения этих манометров такие же, как и манометров с пружиной Нагаткина.

Рис. 10-2-13. Прямолинейная трубчатая пружина с эксцентричным каналом.

Одновитковые и прямолинейные трубчатые пружины с эксцентричным каналом на давление от 1000 до изготовляют из стали

1
Оглавление
email@scask.ru