3. Механические чувствительные элементы

Работа любого прибора основана на его способности «улавливать» какие-либо изменения параметров состояния объектов контроля. Для оценки степени этого изменения необходимо преобразование измеряемого парамет­ра в параметр, который может быть сравнён с эталоном. Эффекты, ис­поль­зуемые для такого первичного преобразования измеряемой физической вели­чины, основаны на упругих, пьезоэлектрических, электродина­мических, термо­элект­рических, фотоэлектрических, электромагнитных, оптических и других законо­мерностях.

Принцип действия меха­нических чувствительных элементов основан на связи величины меха­ни­ческого воздействия на элемент и положения в пространстве какой-либо точки элемента. Изменение величины воздействия приводит к пере­мещению частей элемента друг относительно друга. В большинстве случаев такое перемещение связано с деформированием элемента, а для однознач­ности связи воздействий и деформаций чувс­тви­тельные элементы должны быть упругими, то есть обладать способ­ностью пол­ностью устранять деформации после прекраще­ния действия нагруз­ки.

Наиболее распространёнными упругими чувствительными элемента­ми являются следующие:

- цилиндрические винтовые пружины сжатия и растяжения;

- прямые пружины, работающие на кручение;

- прямые пружины, работающие на изгиб;

- спиральные и винтовые пружины, работающие на закручивание;

- биметаллические пружины, изгибающиеся при изменении темпера­туры;

- гофрированные трубки или сильфоны;

- мембраны;

- анероидные коробки;

- трубчатые пружины;

- резиновые упоры и амортизаторы.

Габариты упругих элементов не должны быть большими. Деформация большинства структурных элементов прямо пропорцио­нальна усилиям и моментам, создаваемым ими, и не зависит от положения их в пространстве. Предварительное деформирование элемента позволяет запасать в нём механическую энергию.

Характеристикой упругого элемента называется зависимость между деформацией и величиной силового воздействия на элемент (например, между прогибом f и силой Р, углом закручивания  и моментом М). Характеристика может быть линейной и нелинейной.

Жёсткостью упругого элемента называется предел отношения прираще­ния величины силового воздействия к приращению величины деформации. Величина, обратная жёсткости, называется чувствитель­ностью упругого элемента.

Необходимая для работы упругих элементов устойчивость их харак­терис­тик достигается выбором соответствующих материалов с удовлетвори­тель­ными упругими свойствами, технологией их изготовления, ограниче­нием значения предельно допустимой для данного элемента нагрузки.

При работе упругого элемента всегда имеет место явление упругого пос­лед­ствия или упругий гистерезис, заключающиеся в продолжении дефор­мирования после прекращения изменения нагрузки и несовпадении харак­те­ристик упругого элемента, снимаемых при увеличении или при уменьшении нагрузки на элемент. Максимальная величина несовпадения деформаций на рассматриваемом участке деформирования называется суммарной абсолют­ной погрешностью элемента, а отношение этого несовпа­дения к величине наибольшей деформации, выраженное в процентах, называется относи­тельной погрешностью (гистерезисом) чувствительного элемента.

Упругие элементы выходят из строя вследствие пластического деформи­ро­вания. Для его предотвращения их подвергают стабили­зации – техно­логической операции, заключающейся в длительном или многократном нагружении элемента, иногда при повышенной температуре (заневоливание).

На характеристику упругого элемента влияет и изменение температуры t, изменяющее значение модуля упругости материала. Степень влияния оценивают относительной приведённой температурной погрешностью

_t = _Е t P/P_max 100 % ,

где _Е - температурный коэффициент модуля упругости, Р и Р_max - действующее и максимально воспринимаемое элементом значение силы.

При выборе материала пружины необходимо учитывать устойчивость во времени упругих свойств материала готовой пружины (после термооб­ра­бот­ки), прочность и сопротивление ударным нагрузкам, а также электро­про­водность, коэффициент расширения, стойкость против коррозии и другие свойства, которые определяются назначением и условиями работы пружины. Размеры сечений, марки и свойства материалов для изготовления пружин регламентируются ГОСТами и ОСТами и приводятся в справочной литературе. Примеры материалов - сталь 1Х 18 Н9Т, сталь У8Ф, 65Г, 60С2А.

Для изготовления винтовых пружин, которые навиваются в холодном состоянии и не подвергаются закалке, применяется пружинная стальная хо­лод­но­тянутая углеродистая проволока диаметром от 0,14 до 8 мм. После изготовления ответственные пружины сжатия сжимают до соприкосновения витков, а пружины растя­жения растягивают нагрузкой в 2-3 раза выше предельной. Для пружин, работающих при повышенных температурах под действием ударной и циклической нагрузок, применяется стальная хромо­ванадиевая проволока диаметром от 0,5 до 14 мм. Вагонные пружины изготавливаются из проволоки диаметром 0,2- 70 мм. После навивки не заневоленные пружины подвергаются термообработке.

В тех случаях, когда пружина должна работать в магнитном поле, обладать хорошей электропроводностью или иметь высокую стойкость против коррозии, рекомендуется применять бронзы БрКМц3-1, БрОФ6,5-0,15 и БрОЦ4-3, а для ответственных пружин - бериллиевую бронзу БрБ2.

У винтовых пружин, работающих на сжатие (рис. 8), в свобод­ном состоянии между вит­ка­ми должны быть зазоры, обеспечи­ва­ю­щие требу­емую дефор­ма­цию пру­жин. При отношении H/D_СР  3 во избежание выпу­чивания ­ пружи­на сжатия должна работать

в направ­ля­ющих. Конце­вые витки пру­жин сжатия подги­баются и шлифуются. У винтовых пружин, рабо­тающих на растяжение, в свободном состоянии витки обычно прижаты друг к другу. Жёсткость вин­товых пружин умень­ша­ется с увели­че­ни­ем отношения D_СР/d=С, которое называется индексом пружины.

Цилиндрические винтовые пружины рассчитываются из условия проч­нос­ти витка пружины на кручение (рис.46). Диаметр проволоки находится по формуле

d  8 P₃ C k^’/ ,

где Р₃- предельно допустимая нагрузка, С-индекс пружины (обычно С=6÷10), k’-коэф­фициент, учитывающий увеличение напряжений на внутренней стороне витка при уменьшении С, k’≈(4C+2)/(4С-3), -допускаемые касательные напряжения, в зависимости от класса пружины их значения находятся в пределах =300÷900 МПа.

По рассчитанному значению d подбирают ближайшее стандартное значение диаметра. Деформация (ход) всей пружины, по которой судят о величине действующей на пружину силе:

f=8С³ Р n /(Gd),

где n- число витков пружины, Р- осевая нагрузка на пружину, G- модуль упругости второго рода (≈ 8·10¹⁰ Па).

Жёсткость пружины

К = Р/f= G d⁴ /8 D³ n .

а) б)

Рис.9 Подвесы (а) и растяжки (б)

Прямые измерительные пружины (подвесы, растяжки), работающие на кручение, применяются в точных измерительных приборах для создания противодействующих моментов и выполнения функций опор подвижных систем приборов.

Подвесы представляют собой сво­бодно висящую (строго верти­каль­но)

упругую нить (пря­мую пру­жи­ну), на нижнем конце которой укреплена подвижная система прибора (рис.9, а).

Растяжки пред­ставляют собой метал­личес­кие уп­ру­гие нити (прямые пру­жины), кото­рые растягиваются и прикреп­ляются к корпусу приборов пос­ред­ством пружин-рессор (рис.9, б). На растяжках подвешивается под­виж­ная си­с­тема прибора. Креп­ление на рессо­рах предохра­няет подвесы и растяжки от обрывов при ударах, толчках и вибрации и позволяет путём изменения рас­­тягивающей силы регулировать ве­ли­чи­ну противодействую­щего момен­та.

В случаях, когда при нагружении пружина должна иметь небольшой прогиб, используются прямые и изогнутые пружины, работающие на изгиб. Обычно они имеют прямоугольное сечение, реже круглое. Применяются в электрических контактных устройствах (реле), в качестве рессор для растяжек и подвесов точных приборов, а также в случаях, когда требуется получить большой прогиб и пологую характеристику чувствительного элемента.

Цилиндрические винтовые пружины кручения (рис.10) приме­няются для создания крутящего момента М при закручи­вании свободного конца пружины на угол . Материал таких пружин в основном испытывает напря­жения изги-

ба, поэтому диаметр про­во­локи оп­ре­де­ляется из условия прочности на изгиб

3

d   P a/(0,1 [) ,

где [- допускаемые изгибные напря­жения. Принимается ближай­шее по сор­та­менту значение d (по ГОСТу) и определяется диаметр пружины D = =(612) d.

Спиральные пружины применяются в часовых механизмах, самопи­шу­щих, измерительных и других приборах в качестве пружинных двигателей (завод­ные пружины), для создания притиво­дейст­вующего момента, подвода тока к

подвижным рамкам электроиз­мерительных приборов (моментные пружины).

Для изготовления спиральной пружины тонкая металлическая лента плотно (виток к витку) навивается на цилиндрическую оправку и в таком состоянии выдерживается от 2 до 10 дней. В результате такого заневоливания пружины, в ней возникают остаточные дефор­мации изгиба и она приобретает спиралеобразную форму. Внутренний конец пружины прикрепляется к валику, а наружный- к корпусу механизма. При вращении валика пружина закручивается, радиус кривизны витков уменьшается и в её материале возникают напряжения изгиба, создающие пропорциональный углу закру­чивания противодейст­вую­щий момент.

Задачей расчёта пружины является определение основных её размеров (толщины, ширины и длины ленты или диаметра проволоки) по заданным противодействующему моменту и рабочему числу оборотов барабана или углу закручивания пружины.

Биметаллические пружины деформируются при изменении темпера­туры. Они изготавливаются из двух спаянных, сваренных или совместно про­катанных тонких металлических пластин с толщинами h₁ и h₂, материалы которых должны иметь близкие значения модулей упругости Е₁ и Е₂ и допускаемых напряжений на изгиб, наибольшую разность между значе­ниями коэффициентов температурного линейного расширения ₁ и ₂, хорошую свари­ваемость. В качестве слоя с малым температурным расширением чаще всего применяется инвар ЭН-36 (ферромагнитный сплав железа с 36 % никеля ₂= 1,5 10^-6 1/⁰C), а с большим - латунь или немагнитная сталь (₁= 13…17,5 10^-6 1/⁰C).

На рис. 11 показаны примеры конструкций биметаллических пружин. При нагревании пружина изгибается в сторону пластины с меньшим коэффици­ентом линейного расширения.

А

а) А б) в)

f

f_уп

l

Рис. 11. Принципы действия биметаллических пластин:

а) силовая схема; б) компенса­ция прогиба; в) компенсация усилия; г) кинематическая схе­ма термометра: 1- биметалли­ческая пластина; 2-переда­точный механизм; 3-стрелка.

г)

Для получения наибольшей чувствительности биметаллической пружины к изменению температуры необходимо соблюдать условие

h ₁/h₂=  Е₂/Е₁

При изменении температуры от t₁ до t₂ наибольший прогиб f свободного конца прямой пружины, закреплённой одним концом как консоль (рис. 8, а) определяется по формуле

f=0,75 (₁- ­₂) l ² (t₁-t₂)/(h₁+h₂)

Сила Р, которая создаётся биметаллической пружиной, нажимающей на упор А (рис. 11, а), находится по формуле

Р = (Е₁ + Е₂) bh³ (f - f_уп) / (8 l ³),

где h=h₁ + h₂ ; f - прогиб свободной пружины; f_уп - прогиб пружины при наличии упора; l - длина пружины.

В случаях, когда биметаллические пружины нагреваются током, проходящим непосредственно через них или через обмотку, для устранения ошибок, возникающих от колебаний температуры среды, в конструкцию устройства термочувствительного элемента вводится вторая биметал­ли­чес­кая пружина, которая компенсирует прогиб основной пружины (рис. 11, б) или компенсирует усилие (рис. 11, в).

Биметаллические пружины надёжны в работе, имеют простую конструк­цию и малую стоимость. Они применяются в приборах в качестве изме­ри­тельных, движущих и регулирующих элементов терморегуляторов, термо­компенсаторов, температурных реле, автоматических предохранителей, тер­мо­графов, термометров, электроизмерительных приборов (вольтметров и ам­пер­метров). На рис. 11, г приведена схема термометра с плоской пласти­ной.

Рис.12. Сильфон и его основные параметры

Сильфоном называется тонко­стенная цилиндрическая труб­ка, стен­ки которой имеют глубокие волнооб­разные склад­ки (гофры, рис. 12). Под действием внут­реннего или внешнего давления газа или жидкости, а также сил, при­ложен­ных к крайним сечениям сильфона, его стенки деформируются. При этом изме­няется длина и внутрен­ний объём силь­фона, а иногда и распо­ложение его оси (при изгибе). Все основ­­ные па­­раметры, конст­рукция и раз­меры приборных бес­шов­ных одно­с­лой­ных сильфонов (см. рис. 12) стандартизированы.

В ГОСТах для каждого типоразмера сильфона приведены величины эф­фек­тивной площади F_эф=F_н-F_в, жёсткости по сосредоточенной силе Q, наи­больший ход, соответствующий наибольшему давлению жидкости или газа.

Мембраны представляют собой тонкую круглую плоскую, выпуклую или гофрированную пластинку, заделанную (слегка зажатую) или жёстко закреплённую (пайкой или сваркой) по контуру. Под действием осевой сосредоточенной силы или силы давления р газа или жидкости мембрана прогибается. Применяются плоские, хлопающие (в форме сферического купола) и гофрированные металлические мембраны.

Для повышения чувствительности (увеличения суммарного прогиба) упругого элемента прибора из двух мембран путём сварки или пайки изготовляют гофрированные мембранные коробки (рис.13. Существуют:

f=f(p)

- манометрические коробки, внут­рен­­няя полость которых сое­ди­няется с кон­т­ролируемой сре­дой с изменя­ю­щим­­ся давлением (применяют в маномет­рах, ва­риометрах, указателях ско­рос­ти и других приборах);

Рис. 13. Манометрическая коробка

р

- анероидные коробки, из внут­рен­ней полости которых вы­ка­чан воздух (до 0,1 мм рт. ст.), слу­жат для изме­ре­ния абсолют­ного давления, применя­ются в вы­сото­мерах и вакуумметрах;

- наполненные коробки, внутренняя область которых заполнена газом (азотом) или насыщенными парами эфира (применяются в некоторых типах терморегуляторов и термометров.

В приборах часто применяются групповые блоки, собранные из нескольких мембранных коробок.

Характеристика мембраны зависит от её материала, размера и профиля гофров. Материалом для мембран служат: нержавеющие стали, бронзы, резина, прорезиненный шёлк и кожа, а конструкция, основные параметры и размеры измерительных гофрированных мембран стандартизированы. Профили мембран бывают трапецеи­дальными, угловыми, синусои­даль­ными с постоянной и переменной глубиной. Выбор мембран производится по требуемому значению давления и соответствующему ему перемещению центра мембраны.

Трубчатые манометрические пружины (трубки Бурдона) представляют со­бой тонкос­тен­ные металлические трубки эллиптического или овального вы­тя­нутого сечения (рис.14), изогнутые по дуге окружности, по винтовой ли­нии или по спирали. Один конец трубки должен быть запаян наглухо, а вто­рой припаян к держателю (штуцеру). Через держатель во внутреннюю по­лость трубки подаётся газ или жидкость. При повышении внутреннего дав­ления вследствие упругой деформации стенок радиус кривизны трубки уве­личивается и запаянный её конец перемещается тем больше, чем больше раз­ность давлений внутри и вне трубки. Материалом для изготовления труб­­­чатых пружин служат латунь, фосфористая бронза, бериллиевая брон­за.

Чувствительностью трубчатой пру­жи­ны называется величина отно­шения перемещения её конца к единице изменения давления. Поскольку она существенно ниже чувствительности сильфонов и мембранных коробок, трубчатые пружины применяют для измерения больших давлений от 0,05 до 40 МПа. В приборах с трубками, изогнутыми по дуге окружности 270 , для передачи движения от конца трубки к указателю 1 манометра применяются множительные передаточные механизмы.



1

Для того чтобы на стрелку 1 при­бо­ра передать полное переме­щение f кон­ца пружины, тягу 2 переда­точного меха­низ­ма следует распо­лагать по нап­равлению этого пере­ме­щения.

2

При проектировании трубчатой пру­жины необходимо выбирать опти­маль­ные размеры трубки (а/b= 56, , h), при которых трубка обладала бы вы­соким пределом пропорциональнос­ти и достаточной чувствитель­ностью. Реко­мен­дуется принимать стандартные зна­чения размеров.

А

F

F_g

O

Рис. 15. Схема рычажного чувствительного элемента

Примером неупругих механических чувствительных элементов является ры­чаж­ный чувствительный элемент, пе­ре­мещение одной из точек (точки А, рис. 15) рычага кото­рого связано с вели­чиной F изме­ряемого усилия, приклады­ва­емого в этой точке, момент от кото­рого уравновешивается силами тя­жес­ти F_g звеньев механизма.