Выберите вариант в котором перечислены упругие чувствительные элементы манометров

Манометры с упругими чувствительными элементами

В любом технологическом процессе одними из основных процедур являются различные измерения. Они необходимы для того, чтобы на производственных линиях выпускалась продукция действительно высокого качества, а для этого совершенно необходима та информация, которую предоставляют обслуживающему персоналу различные измерительные приборы.

Одной из их многочисленных разновидностей является манометр. Он предназначен для того, чтобы определять те значения давления различных газов, которые превышают атмосферное, или находятся на более низком уровне. Название этого прибора происходит от греческих слов, означающих в переводе на русский язык «измеряю» («метрео») и «неплотный» («манос»).

Подавляющее большинство используемых сейчас манометров в своей конструкции имеют так называемые деформационные чувствительные элементы. Их действие основывается на том, что под воздействием давления газов меняется изгибающий момент. Его значение определяется или тем усилием, которое развивает упругий элемент, или же перемещением.

Все манометры, которые разрабатываются и изготавливаются в Российской Федерации, должны соответствовать ГОСТ 8.271-77. Именно в этом стандарте определен принцип действия измерительного прибора, а также основные требования, которым ему надлежит соответствовать.

Следует заметить, что упругие чувствительные элементы распространены в технике весьма широко, и их можно встретить в самых разнообразных конструкциях и приборах. Например, они являются практически обязательными компонентами электромагнитных, тензометрических, емкостных измерителях давления, причем они считаются, по сути дела, их первичными элементами. Именно с их помощью осуществляется восприятие давления, а также такой важный процесс, как линейное перемещение. Оно, в свою очередь, нередко преобразуется в электрический сигнал.

Характеристики упругих элементов, применяемых в манометрах

Чувствительные элементы, которые используются в манометрах, обладают целым рядом метрологических характеристик. Основными из них являются:

• Нелинейность и постоянство упругой характеристики;

• Рабочий ход элемента;

• Условная линейная характеристика;

Под упругой характеристикой манометра понимается та зависимость, которая имеется между возрастающим или убывающим давлением (при прямом и обратном ходе соответственно), и перемещением заданной точки упругого элемента прибора. Ее нелинейность представляет собой то отклонение упругой характеристики, которое возникает от условной линейной характеристики при прямом ходе.

Рабочий ход представляет собой то расстояние перемещения заданной точки упругого чувствительного элемента, которое образуется тогда, когда он нагружается номинальным давлением.

Под чувствительностью манометров понимается то значение, которое образует отношение приращения перемещения некоей точки упругого элемента прибора к приращению приложенного давления.

Что касается такого явления, как гистерезис, то оно является, существенным недостатком который, влияет на характеристики современных манометров. Данное явление присуще всем чувствительным элементам, которые используются в этих приборах. Гистерезис представляет собой вариацию упругой характеристики, являющейся разницей между теми показаниями манометра, которые он демонстрирует при прямом и обратном ходе.

Условной линейной характеристикой манометра является отражение прямо пропорциональной зависимости между такими показателями, как перемещение некоей точки упругого элемента и прилагаемому к нему давлению газовой среды. При этом расчеты производятся для прямого хода, а начальная и конечная точки условной характеристики совпадают с теми, что определены для условной упругой характеристики.

Еще одним важным параметром, который присущ всем современным манометрам, является тяговое усилие. Оно представляет собой характеристику, зависящую от такого показателя, как эффективная площадь деформационного преобразующего элемента. Геометрически она определяется его габаритными размерами, а также теми показателями, которые он демонстрирует под влиянием нагрузки. Тяговое усилие по своему вектору направлено на преодоление сопротивления такого устройства, как передаточный механизм, а также пружин уравновешивания и т.п.

Следует отметить, что для всех современных манометров весьма актуальными является такая проблема, как температурное расширение металла. Поскольку чувствительные элементы закрепляются в корпусах весьма жестко, то этот процесс существенно влияет на точность измерения. Чтобы она была высокой, необходимо произвести согласование коэффициентов температурного расширения различных конструктивных элементов прибора.

К его чувствительным элементам манометров предъявляются повышенные требования в том, что касается прочности, технологии и точности обработки. При их изготовлении важно выбрать оптимальные режимы таких процессов, как отжиг и последующая нормализация. Обязательно следует также принимать во внимание и такой неизбежный процесс, как «старение» металла.

В современных манометрах в качестве чувствительных элементов чаще всего используются многовитковые трубчатые пружины; одновитковые пружины Бурдона; спиральные пружины; сильфоны; мембраны различных типов.

Технологические измерения и приборы , страница 9

В газоанализатор применяют мостовые измерительные схемы. Анализируемая газовая смесь непрерывно протекает через рабочие камеры 1 и 2, в которые помещены чувствительные элементы. Две другие сравнительные камеры 3 и 4 герметично закрыты и заполнены газом постоянного состава. Схема имеет источник питания Б, сопротивление R и вторичный прибор Г. Температура нити в рабочих камерах измеряется в зависимости от изменения теплопроводности анализируемого газа, которая зависит в свою очередь от содержания определенного компонента. Температура нити в камерах заполнена эталонным газом не изменяется. Точка отчета изменения температур нити рабочих камерах 1 и 2 приводит к изменению их сопротивления в следствии чего нарушается равновесия моста. Это приводит к напряжению разбаланса т.е. пропорциональна концентрации компонента в анализированном газе. Погрешность измерения до 10%.

Применяют в металлургии (определение Н₂ в коксовом газе).

Масс – спектрометр

Применяют для анализа многокомпонентных смесей, в которых используется ионизированный метод разделения газа по массам.

Схема Масс – спектрометр

Анализированная газовая смесь поступает ионизированную камеру (1). Молекула исследуемого газа ионизируется электронами эмитируемыми катодом (2), затем фокусируется в узкий пучок и ускоряется в электрическое поле, вылетая с определенной скоростью через щель (3). Далее ионы попадают в камеру (4), где действует однородное поперечное магнитное поле электромагнита (5). Под действием магнитного поля поток разделяется на ионные лучи, траектории которых имеют различные радиусы, r₁, r₂, r₃ в цепи коллектора ионы различной массы создают электрические токи на сопротивлении R, которые после усиления в усилители (7) регистрируются на самопишущем приборе (8).

Приборы для измерения давления

В движущих средах давление:

· статическое: избыточное и вакуумметрическое;

Статическое давление, зависит от запаса потенциальной энергии газовой или жидкостной среды определяется через статический напор.

Динамическое давление – обусловленное скоростью давления потока газа или жидкости.

где ρ –плотность движущего вещества;

W – скорость движущего потока.

Полное давление движений окружающей среды:

Приборы для измерения давления можно разделить на следующие группы:

1. Жидкостные (измерительное давления уравновешивается давлением столба жидкости соответствующей высоты.).

2. Деформационные (измеряемое давление измеряется по величине деформации различных упругих чувствительных элементов или по развиваемой ими схеме).

3. Грузопоршневые (измеряемое давление уравновешивается давлением которое создается массой поршня и груза).

4. Электрические (действие основано на измерениях электрических свойств некоторых материалов при воздействии на них давления).

По наименованию приборы для измерения давления делятся:

· манометры абсолютного давления;

Жидкостные приборы

Основаны на гидростатическом принципе, при котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба рабочей жидкости. Разница уровней в зависимости от плотности жидкости является мерой давления.

где отсчет по наклонной трубке;

угол наклона трубки.

Недостатки: отсутствие дистанционной передачи показания измерения, небольшой придел.

Манометры с упругими чувствительными элементами

Манометры с упругими чувствительными элементами или деформационные приборы широко применяются для измерения давления и его перепада благодаря портативности, простате и большому диапазону измерения от нескольких паскалей до тысяч и мегопаскалей.

Принцип действий основан на уравновешивании силы создаваемое давлением или вакуумом контролируемой среды на чувствительный элемент силами упругих деформаций различного рода упругих элементов. Эта деформация передается в виде угловых и линейных измерений.

Деформационный прибор

В качестве чувствительного элемента на деформационном приборе используется одновитковая трубчатая пружина (материал пружины: бронза, латунь).

Электрические манометры или вакуумметры

Для измерения вакуума в области от 1 до 0,0001 Па находит широкое применение тепловые вакуумметры, а для измерения вакуума в приделах до 0,000001Па применяются ионизационные вакуумметры. Переменное давление в приделах 100 кПа (Пример: в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания), где давление пульсирует с высокой частотой измеряют пьезоэлектрическими манометрами.

Тепловые вакуумметры

Принцип их действия основан на зависимости теплопроводности газовой среды от степени ее разряжения.

Тензометрический манометр

Тензометрический метод измерения давления заключается в непосредственном преобразовании деформации упругого чувствительного элемента (мембраны) под воздействием давления в изменении электрического сопротивления резисторов, закрепленных на этом элементе. Это изменения сопротивления преобразуется электрической измерительной схемой в электровыходной сигнал пропорциональной величине измеряемого давления. резистор сопротивления которого изменяется в зависимости от его деформации называется тензорезистором.

где к – коэффициент тензочувствительности;

R_p – первоначальное сопротивление.

Измеряемое давление подается в камеру (7), фланца (5) снабженного уплотняющей прокладкой (8). Воздействует на мембрану (6) и через жидкость на мембрану тензопреобразователя (3). В качестве чувствительного элемента последнего используется пластина из монокристаллического сапфира с напыленным на него кремнием (тензорезисторы в виде мостика). Воздействие измеряемого давления вызывает прогиб мембраны тензопреобразователей и изменения сопротивления тензорезисторов.

Электрический сигнал от тензопреобразователя изменяемого блока передается в электрическое устройства (1) с помощью проводов проходящих через герметичный вывод (2). (4) – внутренняя полость тензопреобразователя. (9) – основание. (10) – полость сообщенная с окружающей атмосферой.

Достоинство: малые габариты, простота устройства, небольшая погрешность, устойчивость к вибрациям, что позволяет использовать их в промышленности.

2.1.2. Виды и материалы упругих чувствительных элементов

В качестве упругих чувствительных элементов в механических приборах измерения и контроля давления манометрических приборов наиболее часто используются (рис. 2.2):

• одновитковая трубчатая пружина (трубка Бурдона);
• многовитковая пружина;
• винтовая пружина;
• спиральная пружина;
• упругая мембрана как плоская, так и гофрирован-
  ная или мембрана вялая с жестким центром и без него;
• мембранная коробка (коробчатая мембрана) или сильфон.

Рис. 2.2. Типы упругих чувствительных элементов манометрических приборов: а – одновитковая трубчатая пружина; б – многовитковая трубчатая пружина; в – винтовая трубчатая пружина (геликоид); г — спиральная пружина; д – упругая мембрана как плоская, так и гофрированная, вялая с жестким центром и без него; е – мембранная коробка; ж – сильфон

Выбор между трубчатой пружиной, сильфоном и мембраной базируется на анализе следующих основных критериев:

· величина перемещения рабочей точки деформационного преобразователя при воздействии измеряемого давления и развиваемое тяговое усилие;

· минимальная остаточная деформация УЧЭ и работоспособность в диапазоне допустимых напряжений;

· минимальная металлоемкость и технологичность изготовления.

Одновитковые трубчатые пружины(рис.2.2а и 2.3а), называемые зачастую по имени владельца первого патента трубками Бурдона и изготавливаемые с плоскоовальной и эллиптической формами поперечного сечения — являются наиболее распространенными чувствительными элементами показывающих манометров для малых и средних давлений. Другие формы поперечного сечения УЧЭ, применяемые в практике манометрии, более детально представлены в разделе 2.2.1.

Многовитковые, объединяющие под своим названием 1,5- и 2,5-витковые трубчатые пружины, производятся из круглых трубок (рис. 2.2б и 2.3б) с практически не контролируемым профилем изгиба. Наиболее широко применяются в показывающих манометрах высоких и сверхвысоких давлений.

Винтовая трубчатая пружина (геликоид) (рис.2.2в), которой свойственны большие перемещения свободного конца, нашла применение в качестве чувствительного элемента в самопишущих приборах. В большинстве приборов изготавливается из плоскоовальных трубок.

Спиральная пружина (рис.2.2г и 2.3в) выполняется из плющенной трубы и используется наиболее часто в качестве чувствительного элемента манометров-индикаторов с малыми диаметрами корпусов – 20…40 мм. Такие преобразователи успешно используются некоторыми производителями в конструкциях манометрических термометров.

Трубчатые чувствительные элементы по сравнению с сильфонами, мембранами и мембранными коробками из-за существенно различающейся эффективной площади обладают малой тяговой силой. В производимых показывающих манометрических приборах эффективная площадь деформационных чувствительных элементов выбирается как достаточная для преодоления сопротивления со стороны передаточного механизма, вызываемого силами трения в посадочных гнездах осей вращения трибки и сектора, инерционностью массы указательной стрелки, а также для преодоления противодействия волосковой спиральной пружины.

Мембраны (рис. 2.2д, 2.3г) широко применяются в качестве чувствительных элементов приборов, измеряющих низкие значения давления. При малых и средних давлениях мембраны нашли применение в конструкциях приборов (раздел 2.3.1) для измерения давления вязких и загрязненных сред. Мерой давления в таких приборах является прогиб центра мембраны, трансформируемый на указательную стрелку с помощью различных механизмов.

Мембраны могут также выполнять роль разделительной перегородки в специальных устройствах (разделителях), применяемых в комплекте с общепромышленными приборами, для измерения давления сред с особыми физическими свойствами, например агрессивных, кристаллизующихся, высоковязких. Конструкции разделителей представлены в разделе 5.1.

Измерители низкого давления, такие как напоромеры, тягомеры, тягонапоромеры, также функционируют на основе мембран (рис. 2.2г), мембранных коробок
(рис. 2.2д) или сильфонов (рис. 2.2е).

Сильфоны (рис.2.2е) представляют собой осесимметричную трубчатую гофрированную оболочку. Наличие гофров обеспечивают под воздействием давления значительные перемещения. Такие устройства могут обеспечивать существенные тяговые усилия. Сильфоны нашли применение, как отмечалось выше, в приборах измерения малых давлений, а также дифференциальных манометрах, разделителях.

Рис. 2.3. Вид пружинных чувствительных элементов: а – трубчатые одновитковые пружины Бурдона; б – многовитковые чувствительные элементы; в – спиральный чувствительный элемент; г – упругая плоская мембрана

При выборе измерительного средства необходимо обращать внимание на материал упругого элемента, его инертность по отношению к измеряемой среде, физические свойства анализируемой среды, геометрию чувствительного элемента прибора, конструкцию измерительного прибора. Так, например, несовместимы медные сплавы с аммиачной средой. Ряд сред проявляют агрессивность даже по отношению к нержавеющей стали. К большим погрешностям также могут приводить измерения быстро изменяющегося давления высоковязкой среды с прибором с установленным демпферным устройством. Кристаллизующиеся, а также изменяющие текучесть или даже фазовое состояние жидкости могут нарушить функционирования трубчатой пружины или коробчатой мембраны измерителя и сделать невозможным их последующее использование.

Трубчатые пружины являются чувствительными элементами наиболее распространенных показывающих манометрических приборов. Простота конструкции, высокая надежность в работе, относительно низкая себестоимость изготовления, удобство в эксплуатации предопределили их широкое распространение.

Материалы, применяемые большинством производителей манометрических приборов, следующие:

— для общепромышленных приборов – медные сплавы

ЛАНКМц, Л63, CuSn 8, CuBe 2 и др.;

— для приборов имеющих контакт с агрессивной измеряемой средой – 36НХТЮ, 42НХТЮ, 1.4571 (316) и др.

Следует отметить, что некоторые отечественные приборостроительные предприятия широко применяют марки сплавов ЛАНКМц и Л63 из-за их невысокой стоимости. Но, к сожалению, качество заготовок для трубчатых пружин оставляет желать лучшего. Так, например, заготовки отечественного производителя трубок для чувствительных элементов даже для высоких давлений в ряде случаев при незначительной формовке растрескивались по производственному шву.

Кроме того, ГОСТ 2405-88 [2-5] регламентирует работу манометрических приборов, изготовленных из вышеуказанных сплавов в диапазоне температур –50.. +50 о С окружающего воздуха и измеряемой среды. Понятно, что при установлении диапазона температур для точного функционирования прибора в первую очередь учитываются свойства упругого чувствительного элемента.

В соответствии с ГОСТ 10994-74 [2-6] детали, произведённые из сплава марки 42НХТЮ, могут работать при температуре до 100 о С, в то время как сплав 36НХТЮ обеспечивает работоспособность до 250 о С.

Таким образом, в условиях конкуренции на современном производстве манометрических приборов необходимо повышать как качество производства приборов, так и качество используемых комплектующих. Вполне естественно, что со временем свойства металла морально устаревают и на его смену приходят более новые, с улучшенными свойствами и качествами. Поэтому при производстве общетехнических приборов необходимо использовать медный сплав марки CuSn 8, а для приборов устойчивых к воздействию агрессивной среды – 36НХТЮ или европейский сплав 1.4571.

Кроме того, латунь имеет меньшую температуру плавления по сравнению с медью, бронзой и нержавеющей сталью, поэтому будет разумным использование чувствительных элементов из латуни до 100-120 о С. Но для более чёткого и ясного представления температурных возможностей данных сплавов необходимо провести исследования на воздействие температуры измеряемой и окружающей сред.

Более детальное описание материалов, применяемых для изготовления УЧЭ, представлено в /2-3,2-7,2-8 и др./.

ул. Ярцевская, д. 29, корп.2

© 2002 — 2022. НПО ЮМАС
Разработка и производство приборов измерения давления и температуры: манометров, термометров,
напоромеров и клапанов в Москве, Екатеринбурге, Самаре, Санкт-Петербурге, Уфе, Омске, Тюмени и Нижнем Новгороде.
Все права защищены.

Уважаемый пользователь. Уведомляем Вас о том, что персональные данные, которые Вы можете оставить на сайте, обрабатываются в целях его функционирования. Если Вы с этим не согласны, то пожалуйста покиньте сайт. В противном случае это будет считаться согласием на обработку Ваших персональных данных.
Политика конфиденциальности

Чувствительные элементы деформационных манометров

К упругим чувствительным элементам приборов относятся: трубчатые пружины, сильфоны, плоские и гофрированные, мембраны, мембранные коробки, вялые мембраны с жестким центром (рис, 1.15).

Трубчатая пружина представляет собой согнутую по дуге окружности трубку, имеющую в сечении овальную форму (рис.1.15а), причем большая ось овала нормальна плоскости оси трубки. Один из концов трубки запаян, а измеряемое давление передается внутрь трубки через второй открытый ее конец. Под действием давления овальное сечение трубки деформируется: большая ось овала умень­шается, а малая увеличивается. При такой деформации каждого се­чения длина внешних волокон АВ материала трубки увеличивается, а внутренних СD — уменьшается: возникают напряжения (на волок­нах AB — растягивающие, на СD — сжимающие), которые приводят к появлению момента М , разгибающего трубку.

Сильфон — это тонкостенная трубка с поперечными кольцевыми гофрами на боковой стенке, (рис,1.156). Его жесткость зависит от материала, наружного и внутреннего диаметров, толщины стенки . заготовки, радиуса закругления гофр r , угла их уплотнения, числа гофр.

Мембраны (см.рис. 1.15 в, г, д, е) бывают плоскими и гофриро­ванными. Под действием разности давлений центр мембраны (рабочая точка) перемещается. Рабочая точка чувствительного элемента связана со стрелкой прибора при помощи передаточного механизма. Точка перемещается пропорционально измеряемому давлению р.

У плоской мембраны рабочая течка перемещается не пропорционально измеряемому давлению. В этом случае говорят, что мембрана имеет нелинейную характеристику. Такую мембрану из-за малых перемещений рабочей точки применяют для преобразования давления в силу или поверхностные деформации (тензопреобразователи).

Для улучшения статической характеристики используют гофри­рованные мембраны и мембранные коробки. Профили мембран могут быть пильчатыми, трапецеидальными и синусоидальными.

Жесткость коробки вдвое ниже жесткости каждой из мембран. В гифманометрах используются мембранные блоки, включающие две короб­ки и более.

В напорометрах и тягомерах применяются так называемые вялые мембраны, изготовленные из бензомаслостойких прорезиненных тканей. В центре мембраны крепятся металлические пластины, в одну из которых упирается винтовая пружина. Таким образом жесткость мембраны, а значит ее чувствительность, можно изменять. Чем меньше жесткость, тем больше чувствительность элемента.

Упругие свойства материалов чувствительных элементов зави­сят от температуры. Это определяет необходимость защиты прибо­ров от воздействия высоких температур измеряемой среды, С тече­нием времени у упругих чувствительных элементов накапливаются пластические деформации и уменьшаются упругие. Все это приводит к снижению крутизны статической характеристики прибора и ее сме­щению, а следовательно, к увеличению погрешности измерения.