5.3. Деформационные манометры
Принцип действия деформационных манометров основан на использовании деформации упругого чувствительного элемента, возникающей под влиянием измеряемого давления. Значение этой деформации передается отсчетному устройству прибора, отградуированному в единицах давления.
Достоинствами деформационных манометров являются большой диапазон измерений, простота и надежность конструкций, возможность автоматической записи и дистанционной передачи показаний.
Наиболее распространенным видом деформационных манометров являются трубчато-пружинные манометры (рис. 19). Они изготовляются с одновитковой трубчатой пружиной (изогнутая по окружности металлическая трубка). В поперечном сечении она плоскоовальная или эллипсоидная (пружины Бурдона). Изготовляется пружина из высокосортной упругой стали или латуни. Один конец трубки неподвижно закреплен в держателе прибора. Через держатель закрепленная на нем трубка соединяется со средой, давление которой нужно измерить. Другой конец трубки запаян и может свободно перемещаться. Под действием давления овальное сечение трубки стремится превратиться в круглое, заставляя трубку разогнуться. Свободный запаянный конец трубки будет при этом передвигаться и через систему рычагов поворачивать ось с закрепленной на ней стрелкой. Стрелка перемещается по круглой шкале циферблата на угол тем больший, чем больше будет давление, измеряемое манометром.
Рис. 19. Трубчато-пружинный манометр: 1 шкала циферблата, 2 запаянный конец трубки, 3 система рычагов, 4 ось, 5 стрелка, 6 гайка, 7 ниппель, 8 толстостенная камера
Если b – малая ось эллипса трубки, – угол закручивания трубки, r1, r2 – внутренний и внешний радиусы закрученной трубки, то
r1 = r1 (5.11)
и
r2 = r2. (5.12)
Штрих обозначает размеры величин после деформации. Из (4.11) и (4.12) следует, что
(r2 – r1) =( r2 – r1) . (5.13)
Поскольку r2 – r1 = b и r2 – r1 = b, то
b = b. (5.14)
Таким образом, после деформации пружины b>b, следовательно, <, т.е. пружина уменьшает свою кривизну, раскручиваясь в определенном направлении.
Пусть b–b=b и –=, тогда b = (b+b)( –), т.е.
. (5.15)
Таким образом, при упругой деформации трубчатой пружины уменьшение ее угла закручивания пропорционально начальному значению этого угла, увеличению малой оси сечения трубки и обратно пропорционально величине малой оси после раскручивания пружины.
Перемещение свободного конца трубчатой пружины находится в прямой зависимости от давления. Однако эта зависимость сохраняется до известного предела, называемого пределом пропорциональности; в дальнейшем возрастание давления приводит к более быстрому росту перемещения h конца пружины (рис. 20). Это вызывает появление остаточной деформации пружины, и манометр становится непригодным для измерений.
Предел пропорциональности зависит от соотношения осей сечения трубки, толщины ее стенок, механических свойств материала и радиуса закругления пружины. Повышение предела пропорциональности пружины связано с уменьшением ее чувствительности, характеризуемой перемещением свободного конца трубки на единицу давления. Наибольшее давление (конечное значение шкалы манометра), при котором допускается работа трубчатой пружины, принимается обычно не более половины ее предела пропорциональности.
Рис. 20. Зависимость перемещения конца пружины манометра в зависимости от давления
На точность измерений трубчато-пружинными манометрами оказывает большое влияние упругое последействие трубки – разность между перемещениями ее конца при одном и том же давлении в случае постепенного повышения (прямой ход) и понижения (обратный ход) давления. Упругое последействие – основной недостаток трубчато-пружинных манометров. Оно и определяет класс точности прибора.
По своему назначению трубчато-пружинные манометры подразделяются на промышленные и образцовые.
Промышленные манометры бывают показывающими и самопишущими, причем первые из них могут иметь сигнализирующие устройства. Образцовые манометры применяются для поверки промышленных манометров, а также для выполнения точных измерений давления при научно-исследовательских работах.
Установка и поправки к показаниям деформационных манометров
При выборе манометров руководствуются, прежде всего, требуемой точностью показаний. Манометр выбирается с учетом того, чтобы конечное значение шкалы превышало измеряемую величину при постоянном (или плавно меняющемся) давлении в 1,5 раза, а при колеблющемся – в 2 раза. В обоих случаях минимальное измеряемое давление не должно быть меньше 1/3 конечного значения шкалы.
Установка манометра должна производиться таким образом, чтобы, по возможности, исключить влияние температуры измеряемой и окружающей среды на чувствительный элемент (температура окружающей среды не должна быть больше 400С). Манометр нельзя устанавливать около сильно нагреваемых поверхностей.
Манометры не устанавливаются в местах вибрации и сотрясения. Самопишущие манометры устанавливаются строго вертикально. Длина соединительных линий до манометра обычно составляет не более 50 м.
К показаниям манометров вводятся
- основная поправка;
- поправка на расположение прибора;
- поправка на температуру прибора.
Основная поправка определяется из свидетельства к прибору, остальные – из условий измерения.
Такой же принцип действия, как в деформационных манометрах, у вакуумметров. Работа трубки вакуумметра отличается от работы трубки манометра тем, что при создании разрежения (вакуума) трубка не разгибается, а наоборот, сгибается, т.к. атмосферное давление старается ее сплющить.