4 Элементы приборов

4.1 Упругие элементы

Как следует из структурной схемы первым звеном в измерительном приборе является чувствительный элемент.Его назначение преобразовать измеряемую величину одной физической природы в величину другой. природы

В механических приборах для этих целей служат упругие элементы.

Упругие элементы находят широкое применение в различных приборах, устройствах, аппаратах и других конструкциях. Применяют их также в качестве аккумуляторов энергии, в автоматических устройствах обеспечивающих сетевое замыкание кинематических цепей,чувствительных элементов и для упругого соединения деталей. Все упругие элементы изготавливают в виде стержней и оболочек. Стержневые упругие элементы, изготовленные из проволоки или ленты, служат для восприятия сосредоточенных сил и моментов. К ним относятся: плоские, спиральные, винтовые, а также биметаллические пружины, подвесы и растяжки.

К упругим элементам в виде оболочек относятся трубчатые манометрические пружины, мембраны и сильфоны.

По назначению упругие элементы можно разделить на измерительные, силовые и элементы для упругих связей.

Измерительные упругие элементы в виде пружин используют как аккумуляторы энергии для приведения в движение или возврата в исходное положение подвижных деталей прибора или же для выборки зазоров в кинематических целях.

Элементы для упругих связей служат при замене жесткого соединения на упругое. К ним относятся упругие шарниры и прокладки, а также амортизаторы. Основным свойством упругих элементов является их способность изменять свои размеры и форму под действием нагрузки.

В зависимости от вида деформации материала упругого элемента последние рассчитываются на изгиб, кручение или сложные деформации.

К числу основных параметров, определяющих свойства упругих элементов, относятся характеристики: чувствительность и жесткость.

Характеристикой называется зависимость между действующей на упругий элемент нагрузкой Р и его перемещением.

В зависимости от условий работы перемещение X может быть линейным или угловым, а нагрузкой может служить сила, момент силы или давление.

Упругие элементы могут иметь различные характеристики:

Чувствительностью или податливостью упругого элемента называется предел отношения деформации к изменению нагрузки, вызвавшему это перемещение.

Из рисунка видно, что чувствительность численно равна тангенсу угла наклона между касательной к характеристике и осью нагрузки.

Кλ. - Кр - масштабы по осям координат.

Для упругих элементов с линейной характеристикой, чувствительность является величиной постоянной.

Величину обратную чувствительности называют жесткостью упругого элемента.

Во многих измерительных приборах для изменения жесткости или получения необходимой характеристики используют последовательные, параллельные и смешанные соединения нескольких упругих элементов с различными характеристиками.

При последовательном соединении упругих элементов в блок, каждый из них нагружен одной и той же силой Р, тогда:

Суммируя чувствительность отдельных элементов Si, S2, ... Sn получим:

Суммируя чувствительность отдельных элементов S₁ , S₂ , … S_n получим:

Следовательно, при последовательном соединении нескольких упругих элементов, чувствительность блока равна сумме чувствительностей отдельных упругих элементов, а их жесткость:

Суммарную характеристику блока можно найти графическим суммированием деформаций отдельных упругих элементов λ₁ ,λ₂ ,λ₃ …λ_n при нагрузке Р.

При параллельном соединении в блоки упругих элементов с различными характеристиками, при условии, что их деформации одинаковы и равны общей деформации блока, имеем:

Следовательно, силы, действующие на каждый упругий элемент в параллельном блоке, обратно пропорциональны их чувствительностям.

откуда:

Суммарную характеристику блока при параллельном соединении можно найти графически, складывая деформации отдельных элементов при нагрузке Р.

Чувствительность блока:

Следовательно, при параллельном соединении упругих элементов в блоки, их суммарная чувствительность уменьшается, а общая жесткость равна сумме их жесткостей:

Несовершенства свойств упругости

Точность работы всей измерительной системы прежде всего определяется стабильностью свойств упругости чувствительного элемента. Отклонения от законов идеальной упругости (от закона Гука), которые в большей или меньшей степени свойственны всем упругим элементам, называют несовершенствами свойств упругости.Несовершенства свойств упругости связаны с появлением в материале нагруженного упругого элемента микропластических деформаций. С ростом напряжений эти деформации увеличиваются, а следовательно, растут и погрешности упругого элемента.Несовершенства свойств упругости в обычных условиях на­столько малы, что практически не имеют значения при расчетах и эксплуатации большинства деталей, но для упругих чувствитель­ных элементов приборов эти несовершенства входят полностью в суммарную погрешность, значительно уменьшая точность измери­тельной системы. Несовершенства свойств упругости проявляются в виде упругого последействия (рис. 146), релаксации напряжений и гистерезиса.Прямое упругое последействие 1 проявляется при нагружении упругого элемента в виде приращения деформации во времени, когда напряжение или нагрузка постоянны. Основная часть дефор­мации А,! практически происходит мгновенно, а затем постепенно возрастает на значение Акпр, достигая Атах.

Обратное упругое последействие 2 наблюдается при разгружении упругого элемента в виде постепенного уменьшения деформации АЯобр во времени после снятия нагрузки. В измерительных прибо­рах с упругими чувствительными элементами последействие выра­жается в изменении показаний прибора с течением времени при постоянном значении входного сигнала.

Рис. 146. Характеристики упругого по­следействия в зависимости от нагрузки и времени:

/ -- прямое последействие; 2 — обратное

Рис. Зависимость нагрузки от деформации и времени при релаксации напряжений.

1-прямая релаксация 2-обратная

Релаксация напряжений проявляется в виде снижения напряже­ний / во времени у нагруженного упругого элемента при его постоянной деформации, а также в виде изменения напряжений 2 после снятия деформаций. Аналогично упругому последействию различают прямую релаксацию после деформирования и обратную — после снятия деформации (рис. 147).

П огрешность, возникающую от действия релаксации напряжений, необходимо учитывать при проектировании упругих элементов,обеспечивающих силовое замыкание кинематических цепей приборов .Релаксация напряжений в этом случае вызывает изменение нагрузки во времени. Упругий гистерезис выражается в том, что при упругом нагружении и разгружении чувствительного элемента одни и те же деформации получаются при различных напряжениях или, наоборот, одинаковые напряжения имеют место при различных деформациях. На характеристике упругого элемента кривая нагружения 1 распо­лагается несколько выше кривой разгружения 2, образуя петлю гистерезиса (рис. 148). Площадь петли в соответствующем масштабе дает представление о той энергии, которая затрачена на межмолеку­лярное трение при одном цикле нагружения.Отклонения от законов идеальной упругости, вызванные упругим последействием, релаксацией напряжений и упругим гистерезисом, оценивают в совокупности значением гистерезиса. Им определяют суммарную погрешность прибора, проявляющуюся в виде несовпа­дения результатов измерений при прямом и обратном перемещениях подвижной системы.На несовершенства свойств упругости оказывают влияние многие конструктивные, технологические и эксплуатационные факторы. К их числу относятся: материал упругого элемента и характер по­крытия, режим термомеханической обработки, конструктивная форма, температурный и нагрузочный режимы работы, значение максимальных напряжений.Снижение несовершенств свойств упругости является одной из эффективных мер повышения точности и надежности приборов при их эксплуатации. Для этой цели часто используют специальные технологические операции, называемые стабилиза­цией, которыми заканчивают процесс изготовления упругих элементов.Стабилизация заключается в циклическом нагружении упру­гого элемента нагрузкой, на 20—50 % превышающей рабочую на­грузку в течение определенного времени.Целью стабилизации является не только снижение несовер­шенств свойств упругости, но и стремление обеспечить постоянство их значений в процессе эксплуатации.

.

.