3. Прилади тиску із пружними чутливими елементами

Загальні відомості й основні властивості пружних чутливих елементів

Прилади тиску, засновані на використанні деформації або згинального моменту пружних чутливих елементів, що сприймають вимірюваний тиск середовища й перетворюють його в переміщення або зусилля, застосовують у різних областях техніки в широкому діапазоні вимірів - від 50 Па до 1000 МПа. Вони виготовляються у вигляді тягомірів, напоромірів, тягонапоромірів, манометрів, вакуумметрів і мановакуумметрів. Ці прилади підрозділяються на наступні різновиди:

1. Прилади тиску прямої дії – як ті, що показують, так і самописні, у яких переміщення центра або вільного кінця пружного чутливого елемента, що викликане дією тиску, за допомогою додаткового механізму перетворюється в переміщення відлікового пристрою для показання або для показання й запису вимірюваної величини.

2. Прилади тиску прямої дії й реле тиску (без відлікових пристроїв), обладнані електроконтактами й призначені для цілей вимірювання й сигналізації або тільки сигналізації відхилення тиску від заданого значення, а також для роботи в схемах захисту, блокування або позиційного регулювання.

3. Первинні прилади тиску з відліковими пристроями або без них, обладнані передавальними перетворювачами з уніфікованими вихідними сигналами змінного струму або пневматичними перетворювачами і взаємозамінними вторинними вимірювальними приладами, що показують, або самописними приладами. Деякі прилади цього типу використовуються також у системах автоматичного регулювання й управління.

4. Первинні прилади тиску з відліковими пристроями або без них, обладнані передавальними перетворювачами з уніфікованим вихідним сигналом постійного струму й призначені для роботи із взаємозамінними вторинними приладами, що показують, самописними або інформаційно-обчислювальними машинами.

Залежно від призначення прилади тиску із пружними чутливими елементами розділяються на зразкові й робочі. У якості пружних чутливих елементів у приладах тиску використовуються мембрани, мембранні коробки, сильфони й трубчасті пружини. Мембрани, мембранні коробки й сильфони застосовують як чутливі елементи також і в дифманометрах.

Пружні чутливі елементи

Плоскі мембрани. Плоскі мембрани, виготовлені зі сталі й бронзи, являють собою круглі тонкостінні пластини постійної товщини. Під дією рівномірно розподіленого тиску або зосередженої сили затиснена по краях плоска мембрана прогинається при наявності не тільки згинальних деформацій, але й напруг, що розтягують, і внаслідок цього має нелінійну статичну характеристику. При використанні плоских мембран в якості робочої ділянки використовується зазвичай невелика частина її можливого ходу.

Плоскі мембрани знаходять застосування головним чином у приладах тиску спеціальних конструкцій, наприклад п’єзокварцових, ємнісних, індуктивних, з тензоперетворювачами тощо. Прилади цього типу мають малу інерційність і їх можна використовувати для виміру змінних тисків із частотою до декількох сотень і тисяч герц.

Опуклі мембрани. Опуклі (ляскаючі) мембрани, виготовлені зі сталі або бронзи, можуть бути використані в реле.

При впливі тиску р на мембрану її прогин λ на початковій ділянці статичної характеристики зростає плавно. Далі при збільшенні тиску до значення p_ст відбувається втрата стійкості мембрани й вона змінює свій прогин стрибком. При цьому мембрана замикає або розмикає електроконтакти. При подальшому збільшенні тиску прогин мембрани буде знову зростати монотонно. Якщо тиск зменшиться до p_ст, то мембрана також стрибком вертається на початкову ділянку статичної характеристики. Розміри мембран, що ляскають, зазвичай підбирають дослідним шляхом.

Гофровані мембрани й мембранні коробки. Гофрування поверхні мембрани підвищує надійність її роботи й спрямляє характеристику мембрани. Найбільше застосування в приладах тиску одержали мембранні коробки, утворені двома спаяними або звареними гофрованими мембранами, і блоки із двох або декількох мембранних коробок.

У тих випадках, коли необхідно мати мінімальний обсяг внутрішніх порожнин чутливого елемента, наприклад, при вимірюванні перепаду тиску (що є бажаним особливо для дифманометрів-витратомірів), застосовують блок, що складається із двох складних мембранних коробок з рідинним заповненням.

Сильфони. Сильфон являє собою тонкостінну трубку з поперечним гофруванням. Сильфони застосовуються в напоромірах і тягомірах для вимірювання невеликого тиску ( до 40 кПа), у приладах для виміру вакуумметричного тиску до 0,1 МПа, абсолютного тиску до 2,5 МПа, надлишкового тиску до 60 МПа і різниці тисків до 0,25 МПа.

Трубчасті пружини. Трубчасті пружини найчастіше виконуються у вигляді одновиткових, центральна вісь яких являє собою дугу окружності із центральним кутом, рівним 200-270°. Із числа цих пружин найбільш широке застосування одержали пружини Бурдона еліптичного й плоскоовального перетину. Один кінець пружини Бурдона закріплюють нерухомо, а інший - вільний, закритий пробкою й запаяний - з'єднують із механізмом приладу. Під дією тиску, що подається у внутрішню порожнину трубки, пружина Бурдона деформується в поперечному перерізі. Трубчаста пружина тим чутливіша, чим більше радіус її кривизни і чим менше товщина стінок трубки.