Пип с механическими и механическими упругими чувствительными элементами

Кинематическая  компенсация (рис. 20, а) состоит в том, что с помощью биметаллической пружины, входящей в состав кинематической цепи механизма, изменяется должным образом передаточное отношение при изменении температуры. При силовой компенсации (Рис, 20, б) биметаллический элемент создает дополнительное усилие, пропорциональное как изменению температуры, так и перемещению манометрического упругого элемента.

От биметаллических  компенсаторов не требуется больших перемещений или усилий,  поэтому пружины компенсаторов  имеют небольшие размеры и обычно прямолинейную или U-образную форму.

Рисунок 20

Термобиметаллические компенсаторы:

а — кинематическая и б — силовая компенсация  температурной погрешности манометрического упругого элемента; в — регулировка чувствительности биметаллической пружины изменением положения натяжного винта; г — регулировка поворотом биметаллической пружины вокруг ее оси;  д — термобиметаллические компенсаторы  электролитического

датчика

Регулировка чувствительности термобиметаллической пружины производится либо изменением ее рабочей длины или положения натяжного винта (Рис. 20, в), либо поворотом пружины вокруг ее оси, чем изменяется составляющая перемещения в заданном направлении х (Рис. 20, г).

Биметаллические компенсаторы используются в электролитических датчиках, изменяя взаимное положение электродов при изменении температуры (Рис. 20, д).

 

6 МЕМБРАНЫ

 

Во многих манометрических  приборах в качестве упругого элемента применяется мембрана  — гибкая круглая пластинка, получающая значительные упругие прогибы под действием давления р (Рис. 21).

Мембраны широко применяются в качестве чувствительных элементов манометрических приборов высоких классов точности. При  помощи мембран можно измерять давления от сотен атмосфер до нескольких миллиметров водяного столба. Кроме того, мембраны могут использоваться как разделители двух сред и как гибкие уплотнители для передачи перемещений из области давления или разрежения.

Рисунок 21

Деформация мембраны под давлением

Рабочий диаметр  мембраны определяется заданными габаритными  размерами, необходимой величиной эффективной площади, необходимым прогибом центра, запасом прочности и другими техническими требованиями, предъявляемыми к мембране. Диаметр мембраны может иметь различные величины, но обычно не менее 10—15 мм и не более 200—300 мм.

Мембраны изготовляются  из высококачественных пружинных сталей и бронз и из неметаллических материалов: резины и пластмасс, армированных в некоторых случаях тканью из капроновых, стеклянных или металлических нитей.

Толщина мембраны выбирается в зависимости от требуемой  чувствительности и прочности мембраны, от свойств материала и обычно составляет около 0,06—1,5 мм для металлических  мембран и 0,1—5 мм для неметаллических.

Рисунок 22

Характеристики мембран:

а — плоской; б — гофрированной; в — выпуклой; г — неметаллической с винтовой пружиной

В зависимости  от геометрии мембраны могут иметь как линейную, так и нелинейную характеристику по давлению. Эта особенность позволяет успешно использовать мембраны в приборах, измеряющих параметры, нелинейно связанные с давлением.

 

6.1 Плоские мембраны

 

Плоские мембраны имеют затухающую характеристику, поэтому  в качестве рабочего участка используется обычно небольшая часть возможного хода мембраны. В показывающих и регистрирующих приборах металлические плоские мембраны применяются редко. Плоские мембраны находят применение там, где от мембраны требуется небольшой ход, причем сама мембрана нагружается только рабочим давлением, не испытывая противодействия со стороны механизма прибора, как, например, в емкостных (Рис. 23, а), индуктивных, тензометрических датчиках. Мембраны этих датчиков, благодаря высокой чувствительности преобразователя, работают как упругие элементы с относительно большой жесткостью, совершая незначительные перемещения. Они нередко представляют собой толстые пластины, конструктивно выполненные за одно целое с корпусом преобразователя.

Рисунок 23

Примеры применения плоских мембран:

а — в емкостном  датчике давления; б — в датчике давления электроконтактного сопротивления

Кроме того, плоские  мембраны используются в качестве преобразователей давления в усилие, которое затем воспринимается датчиками электросопротивления (Рис. 23, б), пьезоэлектрическими, магнитоупругими, частотными или другими датчиками, имеющими такую высокую жесткость, что мембрану можно считать практически неподвижой. В этих схемах находят применение тонкие металлические и неметаллические мембраны.

Высокая частота  собственных колебаний таких датчиков позволяет использовать их для измерения переменных давлений с частотой до нескольких сотен и тысяч герц.

Рисунок 24

Плоская мембрана, натягиваемая при установке

в прибор

Изготовить  идеально плоскую мембрану из тонкого  листового материала очень трудно, так как из-за несовершенств материала  и технологического процесса изготовления мембрана может получить некоторое  коробление. Нагружение такой мембраны давлением будет сопровождаться «хлопками», возникающими в покоробленных местах. В этом случае характеристика мембраны становится нестабильной. Чтобы избежать этого, мембрану при закреплении в корпусе прибора обычно натягивают по контуру (Рис. 24). Иногда такое предварительное натяжение производится для изменения характеристики, поскольку, меняя величину начального натяжения, можно в больших пределах увеличивать или уменьшать жесткость мембраны.

 

 

7 СИЛЬФОНЫ

 

Сильфон представляет собой тонкостенную цилиндрическую оболочку с поперечной гофрировкой (рис. 25). Под действием давления или осевой силы сильфон удлиняется или укорачивается. Если к нему приложены поперечные силы, создающие изгибающие моменты, то он получает соответствующие перемещения в осевой плоскости.

Рисунок 25

Сильфон

Сильфон способен давать значительные перемещения при характеристике, близкой к линейной, и постоянной эффективной площади. Эти свойства обеспечили сильфонам широкое применение в различных областях техники, в том числе и в приборостроении, несмотря на то, что технология изготовления сильфонов довольно сложна.

В  приборостроении  находят   применение сильфоны диаметрами от 7—10 до 120—150 мм с толщиной стенки 0,08—0,3 мм., Чувствительность    тонкостенных    сильфонов    большого диаметра  настолько  велика, что  они  могут использоваться при давлениях порядка десятков   миллиметров   водяного   столба. Толстостенные   сильфоны  малых  диаметров   могут работать при давлениях в сотни атмосфер. Сильфоны часто применяются в качестве манометрических чувствительных элементов в различных приборах: манометрах, манометрических  термометрах,  дифференциальных манометрах, в пневматической регулирующей аппаратуре и пр.

На (Рис. 26) показана схема сильфонного дифференциального манометра-пневмодатчика, в котором сильфон 1 преобразует измеряемое давление в усилие, сильфон 2 служит бессальниковым уплотнителем, а сильфон 3 — силовым элементом обратной связи.

Сильфоны могут  развивать значительные перестановочные усилия, что обеспечивает малый порог чувствительности приборов и позволяет использовать сильфоны в качестве элементов силовых приводов.

Благодаря большим  изменениям объема, сильфоны используются как элементы гидравлических дистанционных  передач.

Сильфоны служат в различных приборах также компенсаторами температурного расширения жидкости, что объясняется их высокой податливостью и способностью значительно изменять объем.

Возможность получения сильфонов малой осевой и изгибной жесткости позволяет успешно применять их в качестве разделителей и элементов бессальниковых выводов в приборах . Любопытным примером подобного использования является применение стеклянных сильфонов в качестве упругого крепления подвижного электрода механически управляемых электронных ламп.

Рисунок 26

Схема   механизма    сильфонного   дифмансметра   с  пневматической силовой компенсацией

 

 

8 МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ ТРУБЧАТЫЕ ПРУЖИНЫ

 

В манометрических  приборах широко используется свойство полой трубки деформироваться под действием давления. Обычно манометрическая трубчатая пружина представляет собой тонкостенную   кривую   трубку   вытянутого   поперечного   сечения (рис. 27, а). При подаче давления во внутреннюю полость поперечное сечение трубки деформируется, принимая форму, показанную пунктиром на (рис. 27, б). При этом продольное волокно аа трубки переходит на дугу большего радиуса, а волокно бб — на дугу меньшего радиуса. Поскольку волокна стремятся сохранить свою первоначальную длину, поперечные сечения трубки, изображенной на (Рис. 27, а), будут поворачиваться против часовой стрелки (Рис. 27, в). Пружина будет разгибаться, и ее конец получит некоторое перемещение . Это перемещение передается на стрелку прибора через передаточный механизм, который можно компактно разместить в центральной части, ограниченной пружиной.

Рисунок 27

Пружина Бурдона и характер ее деформаций

Манометрические трубчатые пружины чаще всего  выполняются в виде одновитковых (пружин Бурдона), ось которых представляет собой дугу окружности с центральным углом 200-270⁰ (Рис. 29,а).

Рисунок 28

Разновидности манометрических трубчатых пружин:

а) одновитковая (пружина Бурдона); б) винтовая; в) спиральная; г) S-образная

Можно считать, что пружина Бурдона является наиболее распространенным типом манометрических упругих элементов. Она применяется не только в показывающих, но и в регистрирующих и регулирующих манометрах, в термометрах, вакуумметрах, уровнемерах, расходомерах и других манометрических приборах.

По сравнению  с сильфонами или мембранами трубчатые пружины обладают малой тяговой силой. В большинстве случаев это является недостатком трубчатых пружин, но иногда (например, при измерении высоких давлений по схеме силовой компенсации), слишком большая величина тяговой силы усложняет конструкцию прибора. В этом случае вместо сильфона или мембраны целесообразнее использовать трубчатую пружину.

В приборах, где  требуются большие перемещения упругих элементов, используются многовитковые трубчатые пружины: винтовые (геликсы) или спиральные (пружины Бойса), показанные на (Рис. 28, б и в). Технология изготовления этих пружин сложнее, чем одновитковых, однако они способны развивать большие перемещения, что значительно упрощает конструкцию передаточно-множительного механизма прибора.

Спиральные  пружины имеют компактную форму и занимают в механизме прибора примерно столько же места, что и одновитковые пружины; они применяются во многих промышленных приборах.

Также широко используются и винтовые пружины. Применение последних  особенно целесообразно там, где диаметр пружины ограничен, как например, в глубинных манометрах, измеряющих давление в нефтяных скважинах. Весь механизм такого прибора должен быть смонтирован в трубе небольшого диаметра при практически неограниченной длине.

У пружин Бурдона  используется линейное перемещение конца, а у спиральных и винтовых пружин — угловое.

В некоторых  случаях хорошее конструктивное решение прибора может быть получено при применении так называемой S-образной трубчатой пружины (Рис. 28, г), конец которой перемещается поступательно.

 

 

9 МАЯТНИКОВЫЕ  ПРИБОРЫ

 

Маятниковые методы основаны на измерении периода колебания маятника. Формула для расчета полупериода, т. е. времени Т, необходимого для прохождения маятника от одного крайнего положения до другого, имеет вид:

где l —длина маятника; —угол отклонения. Измерив Т, l и , можно рассчитать g. При малых (<30")     T =

Сложность и  громоздкость абсолютных определений g заключается в том, что период колебаний необходимо измерять с погрешностью до 10^-7 с, а длину маятника — с погрешностью до 0,001 мм. Абсолютные измерения обычно проводят лишь на обсерваториях и некоторых опорных пунктах высшего класса.

Несколько проще  с помощью маятниковых приборов проводить относительные измерения силы тяжести. При этом измеряют полупериод колебаний маятника на опорном пункте Т₀= , а затем на всех остальных пунктах наблюдений Т_i= . Далее по формуле g_i=g₀(T₀/T_i)² рассчитывают g_i во всех пунктах, если известно абсолютное значение g₀ на опорном пункте. При относительных измерениях нет необходимости определять длину маятника, что облегчает процесс наблюдения. В маятниковых приборах часто на одном штативе устанавливают несколько (два — шесть) маятников, что позволяет уменьшить погрешность измерения, а главное, при регистрации разностных колебаний каждой пары маятников появляется возможность наблюдения на движущемся основании, например, на корабле при гравиметрических съемках акваторий морей и океанов.