книги / Теплотехнические измерения и приборы

Таким образом, действительное значение барометрического давления, приве­ денное к 0°С и нормальному ускорению свободного падения, определяется по формуле

Если необходимо знать значение барометрического давления в данной мест­ ности, то поправку cg вводить не следует.

Г Л А В А Д Е С Я Т А Я

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, вос­ принимающих измеряемое давление среды и преобразующих его в перемещение или усилие, применяют в различных областях тех­ ники 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 разно­ видности:

1. Приборы давления прямого действия — показывающие и са­ мопишущие, у которых перемещение центра или свободного конца упругого чувствительного элемента, вызываемое действием давле­ ния, при помощи дополнительного механизма преобразуется в пе­ ремещение отсчетного устройства для показания или для показания

изаписи измеряемой величины.

2.Приборы давления прямого действия и реле давления (без отсчетных устройств), снабженные электроконтактами и предназ­ наченные для целей измерения и сигнализации или только сигна­ лизации отклонения давления от заданного значения, а также для работы в схемах защиты, блокировки или позиционного регулиро­ вания.

3.Первичные приборы давления с отсчетными устройствами или без них, снабженные передающими преобразователями с уни­ фицированными выходными сигналами переменного тока или пнев­ матическим и составляющие с взаимозаменяемыми вторичными по­ казывающими или самопишущими приборами отдельные измери­ тельные 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 унифи­ цированным выходным сигналом постоянного тока и предназначен­ ные для работы с взаимозаменяемыми вторичными показывающими

или самопишущими приборами в системах автоматического регули­ рования и с информационно-вычислительными машинами.

Взависимости от назначения приборы давления с упругими чувствительными элементами разделяются на образцовые и рабочие.

Вкачестве упругих чувствительных элементов в приборах дав­ ления используются мембраны, мембранные коробки, сильфоны и трубчатые пружины. Мембраны, мембранные коробки и сильфоны применяют в качестве чувствительных элементов также и в дифманометрах (гл. 12).

Одной из основных характеристик упругого чувствительного элемента является зависимость перемещения % определенной его точки от действующей нагрузки р (давления или разности давлений) или сосредоточенной силы q. Статическая характеристика Я = f (р) или Я = / (q) 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 слу­ чае нелинейной характеристики для получения равномерной шкалы прибора применяют различные спрямляющие устройства.

Важными параметрами, определяющими рабочие качества упру­ гого чувствительного элемента, являются его жесткость, а также чувствительность — величина, обратная жесткости. Если статиче­ ская характеристика Xq = f (q) или Хр =* f (р) упругого чувствитель­ ного элемента линейна, то жесткость равна отношению силы q или давления к соответствующему перемещению Я

и k» = k <10-м >

где kq■=- жесткость по силе в кгс/мм (Н/м); kp— жесткость по дав­ лению в кгс/см2/мм-(Па/м).

Чувствительность упругого элемента представляет собой вели­ чину, обратную жесткости,

При нелинейной статической характеристике жесткость и чув­ ствительность упругого элемента изменяются с давлением р и опре­ деляются следующими выражениями:

Если перемещение определенной точки упругого чувствитель­ ного элемента под действием давления р или разности давлений рг— р2 равно перемещению под влиянием сосредоточенной силы q, то имеет место равенство сил

Несовершенство упругих свойств материала выражаетсй ТакЖё в том, что при постоянной нагрузке возможно изменение деформа­ ций во времени. Это явление называется последействием. Если после снятия нагрузки деформации по истечении некоторого вре­ мени исчезают полностью, то такое последействие называется упру­ гим. В результате упругого последействия стрелка прибора после

(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 « п р а к т и ч е с к и м г и с т е р е з и с о м » или просто гистере­ зисом.

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 связанос неоднородностью структуры материала и появлением в его микрообъемах остаточных напряжений при изготовлении. Пласти­ ческое течение материала во времени может проявляться в форме

явление, при котором некоторая часть деформации в чувствительном элементе сохраняется при полной его разгрузке по истечении любого интервала времени. Известно, что увеличение пластической дефор­ мации приводит к уменьшению упругой деформации, а вместе с тем к уменьшению напряжений в материале чувствительного элемента. По истечении достаточно длительного времени напряжения в чув­ ствительном элементе могут полностью исчезнуть. Ослабление на­ пряжений с течением времени при условии постоянной деформации называется р е л а к с а ц и е й н а п р я ж е н и й . Интенсивная релаксация напряжений в упругом чувствительном элементе может быть причиной выхода его из строя.

Для уменьшения влияния релаксации и последействия на ра­ бочие качества упругих чувствительных элементов они подвергаются в процессе изготовления стабилизации, т. е. специальной техноло­ гической операции, во время которой процессы пластического тече­ ния почти полностью заканчиваются.

Поскольку при работе упругого чувствительного элемента воз­ никновение заметных пластических деформаций недопустимо, ра­ бочие напряжения должны оставаться меньше предела упругости. Для правильно спроектированного упругого чувствительного эле­ мента наибольшее рабочее напряжение не должно превышать <Wc = сгцр/я» где опр — предельное напряжение, при котором упругий элемент достигает предельного состояния, недопустимого для его нормальной работы, а п — коэффициент запаса. Необходи­ мое значение коэффициента запаса определяется требуемой надеж-

ttôôïbtô ynpyrorô йувствителЬнбго ^ЛеМента, условййми его работы, достоверностью данных о механических свойствах материала, точ­ ностью расчета напряжений и т. д. [48].

Упругие чувствительные элементы обычно изготовляют из до­ статочно пластичных материалов, которые в результате специальной технологической операции способны приобрести высокую упругость и прочность. Из числа применяемых материалов наилучшими тех­ нологическими и эксплуатационными свойствами обладают диспер- сионно-твердеющие сплавы, например Бр.Б2; Бр.Б2,5; Н36ХТЮ и др.

При применении приборов давления следует иметь в виду, что в условиях переменной температуры изменение модуля упругости большинства материалов упругих чувствительных элементов при­ водит к появлению дополнительной температурной погрешности показаний прибора. В некоторых случаях дополнительная темпера­ турная погрешность может возникнуть также в результате измене­ ния линейных размеров упругого чувствительного элемента при его нагреве.

10-2. Упругие чувствительные элементы

Ниже рассматриваются наиболее распространенные типы упру­ гих чувствительных элементов, применяемых в приборах давления, а также в дифференциальных манометрах (гл. 12).

Плоские мембраны. Плоские мембраны, изготовляемые из стали и бронзы, представляют собой круглые тонкостенные пластины постоянной толщины. Под действием равномерно распределенного давления или сосредоточенной силы за­ деланная по краям плоская мембрана прогибается при наличии не только изгибных деформаций, но и растягиваю­ щих напряжений и вследствие этого имеет нелинейную статическую харак­

теристику %= f (р) (рис. 10-2-1). При использовании плоских мембран в каче­ стве рабочего участка используется обыч­ но небольшая часть возможного хода ее.

Плоские мембраны находят примене­ ние главным образом в приборах давле­ ния специальных конструкций, напри­

мер пьезокварцевых, емкостных, индуктивных, с тензопреобразователями и т. д. Приборы этого типа обладают малой инерцион­ ностью и их можно использовать для измерения переменных дав­ лений с частотой до нескольких сотен и тысяч герц.

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

давления для сигнализации отклонения давления от заданного зна­ чения. При воздействии давления р на мембрану ее прогиб X на начальном участке оеа статической характеристики (рис. 10-2-2) возрастает плавно. Далее при увеличении давления происходит потеря устойчивости мембраны, и она изменяет свой прогиб скачком (участок аЬ характеристики). При этом мембрана замыкает или раз­

рованные одиночные мембраны в качестве чувствительных эле­ ментов применяются редко. Наибольшее применение в приборах давления (тягомерах, напоромерах, дифманометрах и других при­ борах) получили мембранные коробки, образованные двумя спаян­ ными или сваренными гофрированными мембранами (рис. 10-2-4, а), и блоки из двух или нескольких мем­

свойств в случае перегрузки давлениями рг и р2* Если фактиче­ ская разность давлений рг— р2 превышает верхний предел изме­ рений, на который рассчитан прибор, или одна из мембранных ко­ робок находится под воздействием односторонней перегрузки дав­ лением, повреждения мембранной коробки не произойдет, так как обе мембраны сложатся по профилю, вытеснив жидкость во вторую коробку.

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

На рис. 10-2-5 представлены кривые, дающие общее предста­ вление о влиянии гофрировки мембран на их статическую харак­ теристику. Как видно из графиков, плоская мембрана, лишенная гофрировки (Я = 0), имеет нелинейную характеристику, а неглу­ бокая гофрировка (Я = 0,6) при­ водит к значительному ее спрям­ лению. Дальнейшее увеличение глубины гофр приводит практи­ чески к линейной характеристи­ ке мембраны за счет большего сопротивления изгибу, чем у мембраны с мелкой гофрировкой.

С увеличением глубины гофри­ ровки жесткость мембраны воз­ растает. Следует отметить, что влияние формы профиля на ха­ рактеристику мембраны сравни­ тельно невелико, поэтому при­ нято воздействовать на эту ха­ рактеристику путем изменения глубины гофрировки или тол­ щины материала. Форму профи­ ля и число волн обычно выби­ рают из технологических или конструктивных соображений. В тех случаях, когда необходимо уменьшить жесткость на некото ром участке характеристики мем браны, последней придают не большую выпуклость.

Методы расчета и проектиро вания мембранных чувствитель ных элементов при различных-ус ловиях работы изложены в [50]

Неметаллические мембраны

Кроме металлических мембран в напоромерах, тягомерах, дифманометрах, измеряющих малые давле­

ния 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 рабо­ чего (рис. 10-2-6, а). Для обеспечения постоянства эффективной площади кольцевая часть мембраны выполняется с гофром, отфор-

мованным при изготовлении ее. Мембрана с плоской кольцевой частью применяется реже, так как эффективная площадь такой мембраны может значительно изменяться. Иногда мембрану с пло­

винтовой, а иногда плоской пружиной (рис. 10-2-6, б). В таком слу­ чае пружина с мембраной выполняют функции упругого элемента.

Сильфоны. Сильфон представляет собой тонкостенную трубку с поперечной гофрировкой (рис. 10-2-7, а). Сильфоны применяются в напоромерах и тягомерах для измерения небольшого давления

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

до 4000 кгс/м2 (40 000 Па), в приборах для измерения вакуумметрического давления до 1 кгс/см2 (0,1 МПа), абсолютного давления до 25 кгс/см2 (2,5 МПа), избыточного давления до 600 кгс/см2 и разности давлений до 2,5 кгс/см2 (0,25 МПа). Сильфоны при работе на сжатие выдерживают давление в 1,5—2 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 R и угла уплотнения а (рис. 10-2-7, а). В тех случаях, когда необходимо увеличить жест­ кость сильфона, его снабжают вин­ товой цилиндрической пружиной (рис. 10-2-7, б).

Эффективная площадь сильфо­ на ^ эф с достаточной точностью может быть определена по эмпири­ ческой формуле

линейна в относительно небольших диапазонах перемещений, эф­ фективная 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 механогидравлическим способом из цельнотянутых тонкостенных трубок. В приборостроительной промышленности применяют также сварные сильфоны. Эти сильфоны изготовляют пу­

10-2-9, а). Из числа этих пружин наиболее широкое применение получили пружины Бурдона эллиптического (рис. 10-2-9, 6) и пло­ скоовального (рис. 10-2-9, в, г) сечения. Большая ось 2а поперечного сечения расположена перпендикулярно радиусу кривизны RKцент­ ральной оси (среднему радиусу) пружины. Один конец пружины Бурдона закрепляют неподвижно, а другой — свободный, закрытый пробкой и запаянный — соединяют с механизмом прибора, передаю­

щим преобразователем или другим устройством. Тонкостенные пру­ жины Бурдона применяют в приборах для измерения вакуумметрического давления до 1 кгс/см8 (0,1 МПа) и избыточного давления до 60 кгс/см8 (6 МПа). Для измерения избыточного давления до 200 — 1600 кгс/см8 (20—160 МПа) применяют толстостенные пру­ жины 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. При этом, продольное волокно хх элемента пружины, выделенного двумя

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

близкими поперечными сечениями, переходит на дугу большего радиуса в положение х'х', а волокно уу — в положение у'у' на дугу меньшего радиуса (рис. 10-2-9, д). Вследствие того что волокна стремятся сохранить свою первоначальную длину, поперечные се­ чения пружины Бурдона будут поворачиваться против часовой стрелки. Пружина будет разгибаться, и ее свободный конец совершит некоторое линейное перемещение X. При этом уменьшается кривизна f рубки на угол Ду = у — Vi (Рис- 10-2-9, а).

Трубчатая пружина тем чувствительнее, чем больше радиус ее кривизны RKи чем меньше толщина б (рис. 10-2-9, б) стенок трубки. Кроме того, чувствительность пружины Бурдона, а также, и ее жесткость в сильной степени зависят от отношения alb осей попе­ речного 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